Метрология / Том 2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок / 5-8-Zashhita_ot_popadanija_postoronnih_predmetov

Рисунок 5.68 – ПОС на входе в двигатель RollsRoyce RB183 MK 555 (Печатается с разрешения Rolls-Royce plc)

1 - обогреваемый воздухозаборник;

2 - обогреваемый обтекатель;

3 - обогреваемые лопатки ВНА;

4 - регулятор давления; 5 - воздушный коллектор; 6 - трубопровод подвода воздуха

Тепло отработанного масла может использоваться для обогрева силовых стоек входного корпуса компрессора. Обогрев горячими газами не получил распространения из-за вызываемой ими коррозии деталей ПОС и сравнительно высокой пожароопасности. При электрическом подогреве источники тепла – нагревательные элементы – размещаются в обогреваемых деталях. Для электри- ческой системы обогрева необходимо сравнительно большое количество электрической энергии - 80…120 Вт на 1 дм2 обогреваемой поверхности, что является существенным недостатком.

5.8 – Защита от попадания посторонних предметов

Большое количество двигателей снимается с самолетов до выработки ими гарантийного ресурса из-за повреждения компрессора посторонними предметами, попавшими на вход двигателя при эксплуатации. Досрочный съем двигателей нарушает регулярность рейсов самолетов и приводит к большой дополнительной загрузке завода-изго- товителя и ремонтных предприятий внеплановым

ремонтом двигателей. Повреждение компрессоров двигателей снижает эксплуатационную надежность и безопасность полетов.

Повреждения газовоздушного тракта в основном происходят от попадания в двигатель частиц износа с ВПП, пыли, льда, воды, проволоки щеток снегоочистителей, града, птиц и т.д. В зимнее время уровень съема двигателей по забоинам на лопатках превышает уровень съема в летнее время. Это объясняется ухудшенным состоянием ВПП

èрулежных дорожек зимой из-за образования на них льда и внедрения в него твердых частиц.

Преимущественно попадание посторонних предметов и частиц в газовоздушный тракт компрессора происходит:

во время рулежки, разбега и пробега из-под передних и основных колес шасси;

-èç-ïîä струй газов при позднем закрытии створок реверса тяги при посадке самолета;

-при работе двигателя на стоянке из-за возникновения вихревого жгута под воздухозаборником на поверхности ВПП.

В настоящее время определены основные направления защиты двигателя от повреждений:

-предотвращение попадания посторонних предметов в воздухозаборник;

-очистка воздуха на входе в двигатель от посторонних предметов;

-создание «самозащищенных» двигателей, приспособленных к сохранению работоспособности в условиях попадания на вход посторонних предметов.

Предотвращение попадания посторонних предметов в воздухозаборник осуществляется следующим комплексом мероприятий:

-применение на колесах шасси щитков;

-отработка методики взлета и реверсирова-

íèÿ;

-струйная защита от образования вихря;

-совершенствование покрытий аэродромов

èкачества ухода за ними.

Очистка воздуха на входе в двигатель от посторонних предметов осуществляется:

-применением управляемых сеток, перекрывающих вход в двигатель на соответствующих режимах;

-использованием искривлений воздухоподводящих каналов для организации инерционной очи- стки воздуха путем установки в местах поворота потока окон-ловушек;

применением роторных систем защиты, в которых очистка воздуха от посторонних предметов осуществляется специальной ступенью, установленной перед входом в двигатель.

Создание «самозащищенных» двигателей требует разработки:

-методики расчета полей скоростей, индуцируемых воздухозаборником двигателя;

-математических моделей движения посторонних предметов вне воздухозаборника и в его канале с учетом динамического взаимодействия

ñэлементами летательного аппарата и силовой установки.

Конструкции современных двигателей позволяют ремонтировать поврежденные лопатки вентиляторов и КНД вплоть до замены модулей без съема двигателя с самолета. В то же время повреждения КВД ведут к досрочному съему двигателей и их полной переборке. Анализ повреждений проточной части компрессоров показывает, что соответствующей компоновкой компрессоров, профилированием лопаток и проточной части, использованием систем сдува вихря и ПОС, можно существенно снизить вероятность повреждения лопаток КВД.

Для разработки мероприятий по предотвращению попадания постороннего предмета в газовоздушный тракт необходимо ясно представлять себе процессы, вызывающие вихревое засасывание предметов, и влияние конструктивных и эксплуатационных параметров на интенсивность засасывания. Для этого рассматривается кинематическая структура потока около воздухозаборника двигателя при его работе над поверхностью аэродрома (см. Рис. 5.69).

Анализ векторного поля скоростей показывает, что по мере приближения к воздухозаборнику происходит сближение линий тока, причем на поверхности аэродрома существует точка, радиальные составляющие скорости в которой равны нулю. Как показывают экспериментальные исследования, именно возле таких точек торможения формиру-

Рисунок 5.69 – Структура воздушного потока при размещении двигателя ПС-90А на высоте H=2 м (условия M=0, H=0)

ется ядро вихревого шнура. Положение точки торможения зависит от скорости и направления ветра, скорости движения самолета по аэродрому. При увеличении скорости движения самолета точка торможения сдувается, и, следовательно, исчезает предпосылка возникновения вихревого шнура. Результаты расчетных и экспериментальных данных свидетельствуют, что течение на входе в воздухозаборник при наличии вихревого засасывания, не является равномерным, и при определенных условиях может привести к нарушению устойчивой работы двигателя.

Однако наличие вихревого течения под воздухозаборником не всегда приводит к забросу в двигатель посторонних предметов, находящихся на поверхности аэродрома. Для этого вихрь должен обладать определенной интенсивностью. Интенсивность вихревого течения можно оценить вели- чиной горизонтальной составляющей скорости воздушного потока в приземном слое под воздухозаборником Vãmax.

Vmax = Gmax / (20,1 - H20)

ãäå Gmax – максимальный расход воздуха;

H0 – расстояние от поверхности аэродрома до оси воздухозаборника.

Граничными значениями, установленными на основании экспериментальных данных, являются:

Vmax < 1,0 м/с – отсутствие вихревых шнуров или весьма слабое вихреобразование;

1,0 ì/ñ < Vmax < 1,5 м/с – вихреобразование недостаточно интенсивное, чтобы подбросить части-

цу опасного размера на уровень воздухозаборника; Vmax > 1,5 м/с – интенсивное вихреобразование. Согласно предложенной ЛИИ им М.М. Громова методике определения интенсивности вихрево-

го течения, все самолеты, с точки зрения вероятности заброса посторонних предметов в двигатель, можно разделить на «вихревые» и «невихревые» (см. Рис. 5.70).

Из рисунка следует, что защита двигателя обеспечивается, когда величина горизонтальной составляющей скорости воздушного потока в приземном слое под воздухозаборником не превышает значения VÃmax = 1,5 м/с. При этом относительная высота расположения воздухозаборника должна быть не ниже Íîòí = 2.

Таким образом, можно сделать следующие выводы.

1. Для защиты двигателя необходимо обеспечи- вать такую компоновку силовой установки на самолете, при которой высота расположения воздухозаборника должна быть заведомо большей, чем Íîòí = 2.

2. Если обеспечить такую высоту расположения воздухозаборника не удается, то необходимо рассматривать применение специальных средств защиты, например, струйных.

Таким образом, схема размещения СУ на самолете, широко применяемая в настоящее время (см. Рис. 5.71) – наиболее удачная с точки зрения летных качеств самолета - не позволяет в то же время избежать возможности появления вихревого течения при работе двигателей в наземных условиях.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что для снижения вероятности попадания в двигатель посторонних предметов вихревым течением необходима защита хотя бы от одного из двух следующих условий:

-существование вихревого течения, что обуславливается наличием точки торможения линий тока на поверхности земли;

-существование в приземном слое воздушного потока достаточной интенсивности (VÃmax > 1,5 ì/ñ).

5.8.1 – Эксплуатационные мероприятия по предотвращению появления вихревого шнура

Одним из эксплуатационных методов защиты двигателя является специальный метод разбега самолета на стартовом участке ВПП со свободными тормозами – «роллинг-старт». Суть такого метода в том, что самолет начинает разбег при работе двигателя на пониженном режи-

ме (режиме страгивания), а затем в процессе разбега режим работы двигателей увеличивается до максимального.

Другим эксплуатационным мероприятием, исключающим возникновение вихревого шнура под воздухозаборником при отладке двигателей на гоночной площадке, является применение наземного устройства (Рис. 5.72), разрушающего вихревой шнур. Такое наземное устройство представляет собой звездообразную конструкцию, состоящую из ряда пластин, равномерно расходящихся из центра. Размеры пластин могут быть следующими: толщина 2-2,5 мм, длина, равная радиусу зоны вихреобразования, высота, равная 0,07 диаметра воздухозаборника. Располагается данное устройство на поверхности аэродрома под воздухозаборником, при этом центр устройства совмещается с эпицентром вихря.

5.8.2 – Конструктивные мероприятия для защиты внутреннего контура от попадания посторонних предметов

На примере двигателя ПС-90А рассмотрим мероприятия для защиты внутреннего контура от попадания посторонних предметов:

-обтекатель спроектирован вращающимся

ñуглом конуса 90°;

-на обтекатель нанесена отпугивающая окраска для защиты двигателя от попадания птиц;

-втулка рабочего колеса имеет крутой подъем

≈ 25°;

-разделитель потока максимально отодвинут от рабочего колеса;

-осуществляется сепарирование посторонних предметов (прошедших через тракт подпорных ступеней) в полость наружного контура через кольцевую щель перепуска воздуха из КНД;

-спроектирован искривленный канал внутреннего контура вентилятора с малым шагом решеток ВНА и спрямляющего аппарата подпорных ступеней;

-предусмотрена ПОС обтекателя двигателя

èвоздухозаборника самолета.

Для увеличения устойчивости двигателя к попаданию посторонних предметов применяют широкохордные лопатки вентилятора с упрочненной входной кромкой.

Лопатки широкохордного вентилятора по сравнению с традиционным в большей степени защищают двигатель от попадания посторонних предметов, поскольку они имеют большую ширину и толщину корневого сечения и поэтому более устойчивы и к попаданию птиц. Кроме этого под действием центробежных сил, а также из-за переноса передней кромки ближе к входу такие лопатки позволяют отбрасывать посторонние предметы в наружный контур.

Применение указанных мероприятий, а также возможность зачистки забоин на лопатках вентилятора и их замены без разборки двигателя позволяют уменьшить количество двигателей, снимаемых с самолета в эксплуатации по повреждениям лопаток.

Проведенные с целью определения места и степени концентрации посторонних предметов в воздухозаборнике самолета расчетные исследования показывают, что отчетливо видна концентрация частиц в центре канала, которая достигает наибольшей величины на начальном участке (см. Рис. 5.73). Затем поток частиц начинает расширяться, смещаться вверх и в дальнейшем испытывает соударение, достигая верхней стенки канала.

Полученные результаты по степени концентрации частиц, в частности, по величине площади пучка в области повышенной концентрации, е¸ протяженности по длине канала дают все основания полагать, что элементы вентилятора, в том числе обтекатель, при наличии короткого воздухозаборника, могут быть использованы для эффективной сепарации частиц из воздушного потока.

Установлено, что на движение частиц после соударения с обтекателем существенное влияние оказывает величина коэффициента отражения, которая зависит от отношения диаметра частицы к толщине стенки обтекателя.

Рисунок 5.73 – Расчетные траектории движения посторонних предметов в потоке воздуха перед воздухозабор ником и в его канале

Проведенные расчеты траекторий движения посторонних предметов для двух значений углов конуса (β Ê) входного обтекателя двигателя показали, что после отражения от обтекателя при β Ê = 1180 большая часть посторонних предметов попадает на лопатку вентилятора в зону больших скоростей

èмалых относительных толщин передней кромки

èтела лопатки, что увеличивает вероятность их

повреждения, чего не наблюдается при угле β Ê = 710. Данным примером иллюстрируется взаимосвязь геометрии вентилятора с величиной вероятности попадания посторонних предметов в компрессор высокого давления, показывается необходимость тщательного (оптимального) выбора геометрических параметров (величина угла конуса обтекателя, угол наклона втулки рабочего колеса, расположение антивибрационной полки рабочего колеса и разделителя потока) при проектировании входных эле-

ментов газотурбинных двигателей.

Так, например, обтекатель двигателя ПС-90А

имеет угол конуса β Ê = 900, который находится ближе к минимальному из рассматриваемого ди-

апазона (710 <β Ê < 1180). Следовательно, отражение посторонних предметов обтекателем будет осуществляться в зону относительно небольших окружных скоростей. При этом максимально отодвинутый от рабочего колеса вентилятора разделитель потока

èкрутой подъем втулки рабочего колеса обеспечи- вают направление посторонних предметов в наружный контур. Вращение обтекателя позволяет умень-

шить относительную составляющую скорости соударения посторонних предметов с рабочим колесом.

Вероятность соударения посторонних предметов с обтекателем двигателя превосходит 90 %. После соударения с обтекателем частицы движутся к концам лопаток вентилятора, распределяясь по сечению, близко к равномерному. Из сравнения типов траекторий, реализующихся после отражения частиц от обтекателя, установлено, что их попадание во внутренний контур маловероятно. При- чем не столкнувшиеся с обтекателем частицы имеют преимущественно осевое движение, и их траектории слабо меняются при соударении с лопатками.

Для защиты КВД от посторонних предметов, прошедших через тракт подпорных ступеней, предусмотрено их сепарирование (инерционная очи- стка воздуха) в полость наружного контура через кольцевую щель перепуска. Для защиты компрессора от попадания большеразмерных посторонних предметов (куски льда, птицы и т.д.) перед подпорными ступенями установлен ВНА с большой густотой и числом лопаток z = 77. Кроме того, средний поперечный линейный размер спрямляющего аппарата подпорных ступеней составляет менее 20 мм. Воздухозаборник и обтекатель двигателя в условиях обледенения обогреваются воздухом, отбираемым из КВД, что исключает образование на них льда.

Применение этих мероприятий, а также имеющиеся возможности зачистки забоин на лопатках вентилятора, замены отдельных лопаток вентилятора, модулей вентилятора и КНД позволяют уменьшить количество двигателей, снимаемых с самолета в эксплуатации по повреждениям лопаток.

Мероприятия, вводимые в конструкцию двигателя и летательного аппарата, обеспечивают достаточно высокий уровень защиты КВД от попадания посторонних предметов.

5.8.3 – Особенности конструкций систем защиты ГТД наземного применения от попадания посторонних

предметов

Для ГТУ наземного применения в отличие от авиационных ГТД, в силу менее жестких ограниче- ний по габаритам и массе, применяются стационарные воздухоприемные устройства со ступенчатой системой очистки воздуха.

Типовая схема воздухоочистки состоит из двухступенчатой системы:

- первая ступень очистки воздуха для улавли-

вания частиц размером до 10 мкмциклонные блоки или щелевые инерционные воздухоочистители; - вторая ступень очистки воздуха для улавливания более мелких частиц - фильтры тонкой очистки. На период пуско-наладочных работ (первые

500-1000 ч работы) на лемнискатный воздухозаборник ГТУ устанавливается мелкоячеистая сетка для защиты компрессора от попадания элементов конструкции входного устройства.

5.9 – Особенности конструкции компрессоров ГТД наземного применения

Цикл работы промышленного двигателя существенно отличается от цикла работы авиационного - он характеризуется меньшей нагруженностью и большей продолжительностью. Таким образом, появляется возможность использовать отработавшие на авиационном двигателе детали на промышленном двигателе – дать им «вторую жизнь». Этот путь наиболее быстр и наименее затратен, однако не позволяет в полной мере использовать потенциал конструкции компрессора.

Оптимальным с точки зрения затрат и ожидаемой эффективности является второй путь – создание компрессора на базе высокоэффективного компрессора авиационного двигателя, прошедшего доводку и всеобъемлющие испытания. Подобное решение настолько привлекательно, что даже при необходимости создания компрессора другой производительности выгоднее моделировать (масштабировать) существующий компрессор, чем проектировать новый. Тем не менее, специфика использования компрессора в стационарной ГТУ определяет некоторые особенности конструкции и подходы к проектированию.

При создании компрессора для двигателя летательного аппарата очень остро стоит вопрос минимизации массы конструкции. Этим обуславливается необходимость применения материалов с возможно низкой удельной массой и высокими механическими свойствами: титановых сплавов, высоколегированных сталей и специальных сплавов. Такие материалы довольно дороги и, зачастую, труднообрабатываемы. Дополнительно для снижения массы в конструкции узлов авиационных двигателей применяют облегчающие проточки, фрезеровки, используют детали сложной пространственной конфигурации.

Для компрессора стационарного двигателя требование минимальной массы отходит на второй план. В связи с этим применение дорогих труднообраба-