Глава 8 - Турбины ГТД

Применение металлических многокомпонентных покрытий, обеспечивающих защиту от окисления и коррозии наружных и внутренних поверхностей. Это особенно актуально для турбин двигателей морского применения, а также для турбин двигателей, работающих на природном или попутном нефтяном газе – так как их продукты сгорания и возможные примеси гораздо более агрессивны по отношению к металлу, чем продукты сгорания керосина.

Отверстия пленочного или струйного охлаждения в лопатках ТВД должны быть спроектированы или скорректированы для учета условий постоянной работы в гораздо более запыленной среде, чем системы охлаждения турбин авиационных двигателей. Они должны иметь увеличенный диаметр (ведущие разработчики турбин наземного применения имеют основанные на опыте эксплуатации ограничения на минимальный диаметр отверстия).

8.9.1 - Перечень использованной литературы

8.9.1.1GE Aircraft Engines: LM6000 Gas Turbine: Simply the World’s Most Efficient. AE-3248. USA, 1995.

8.9.1.2LM6000 rated 45 MW shaft output and 42.6% simple cycle efficiency. Gas Turbine World, November-December 1995.

8.9.1.3Closing the loop. International Power Generation, March 1996.

8.9.1.4LM6000 PC. Generator Drive/Mechanical Drive. Gas Turbine World, March-April 1996.

8.10 - Характерные дефекты в турбинах и пути их предотвращения

Современные двигатели эксплуатируются по техническому состоянию вплоть до исчерпания запаса по параметрам или до возникновения какойлибо неисправности.

При стендовых испытаниях и в эксплуатации неисправности в турбине могут быть выявлены средствами диагностики двигателя (например, повышение температуры за турбиной) или при техни- ческом обслуживании, с использованием специальных средств и методов контроля. Такими средствами служат оптические эндоскопы (для осмотра деталей проточной части), приборы для ультразвукового и токовихревого контроля дефлекторов и дисков. Для облегчения проведения диагностики в корпусах турбины выполняют лючки, обеспечи- вающие доступ для средств контроля.

Турбина, как самый теплонапряженный узел двигателя, является и наиболее частым источником неисправностей, приводящим к отправке в ремонт и ограничивающим ресурс. Например, при средней межремонтной наработке 11000 часов в двух из каждых трех случаев отправки в ремонт двигателей семейства PW4000 (всех моделей) причиной являются проблемы (прогары и трещины) с лопатками ТВД [8.10.5.1].

Двигатель CFM56-3 при средней межремонтной наработке (на второй и последующие ремонты) около 10000 часов отправляется в ремонт из-

Рисунок 8.10_1 – Средняя наработка новых двигателей CF6-80C2 на снятие с крыла – по дефектам лопаток турбины и по всем дефектам, вместе взятым [8.10.5.3]

512

Глава 8 - Турбины ГТД

за достижения ограничения по циклическому ресурсу (35%), из-за превышения ограничения по температуре за турбиной (31%) и из-за проблем с долговечностью лопаток ТВД (прогары и трещины 1СА, осевые и радиальные трещины 1РЛ) [8.10.5.2].

На Рис. 8.10_1 приведена средняя наработка новых двигателей CF6-80C2 (GE Aircraft Engines) на «снятие с крыла» по причине выхода из строя лопаток турбины и по всем дефектам, вместе взятым [8.10.5.3]. Из графика следует, что именно дефекты лопаток турбины в подавляющем большинстве случаев являются причиной вывода двигателей из эксплуатации и отправки их в ремонт.

8.10.1 - Прогары и трещины лопаток ТВД

В то время как проблемы с лопатками ТВД составляют основную часть проблем с двигателями, подавляющую часть дефектов самих лопаток составляют прогары, термоусталостные трещины, высокотемпературные окисление, коррозия и эрозия. На Рис. 8.10.1_1 и 8.10.1_2 показаны характерные дефекты сопловых лопаток первой ступени ТВД.

Основные мероприятия по увеличению долговечности лопаток включают:

-местное увеличение расхода охлаждающего воздуха за счет введения дополнительного пленоч- ного охлаждения;

-увеличение расхода охлаждающего воздуха для уменьшения общей теплонапряженности лопатки;

-применение материала с более высокими характеристиками при высоких температурах (с направленной кристаллизацией и монокристаллических);

-теплозащитные покрытия;

-замена общей схемы охлаждения лопатки на более эффективную (и соответственно более технологически сложную);

-изменение (если это возможно) источника отбора охлаждающего воздуха на ступень компрессора с более высоким давлением (такой воздух располагает более высоким потенциалом по давлению и, соответственно, по уровню теплоотдачи в каналах охлаждения);

-усовершенствование аппарата закрутки с целью снижения температуры охлаждающего воздуха для ротора;

-уменьшение непроизводительных утечек

èпотерь давления охлаждающего воздуха в ком-

муникациях системы охлаждения для использования дополнительного потенциала по давлению

èрасходу непосредственно в лопатках;

-корректировка температурного поля газа в п- роточной части (корректировка радиальной

èуменьшение окружной неравномерности за КС);

-уменьшение температуры газа перед турбиной за счет комплекса мероприятий по двигателю, включая увеличение расхода воздуха через газогенератор;

-улучшенное управление эксплуатацией двигателя.

Местное увеличение расхода охлаждающего воздуха (в основном, за счет дополнительных отверстий пленочного охлаждения) является обыч- ным на стадии доводки или первых этапах эксплуатации, когда необходимо откорректировать систему охлаждения лопатки по результатам реальных испытаний.

Применение монокристаллических материалов для лопаток ТВД гражданских двигателей стало уже общим правилом со второй половины 1980-х годов, когда монокристаллические рабочие лопатки были впервые применены Pratt&Whitney в ТВД PW2000 (сертифицирован в 1983 году) и PW4000 (сертифицирован в 1987году). Монокристаллические сопловые лопатки были впервые применены GE Aircraft Engines в ТВД CFM56-5A (сертифицирован в 1988 году) и позволили существенно повысить долговечность лопаток по сравнению с CFM56-3C1. В начале 1990-х Pratt&Whitney на- чала внедрение монокристаллических материалов так называемого второго поколения, в том числе

– для повышения долговечности лопаток существующих двигателей.

При решении проблем с долговечностью лопаток ТВД PW4000 [8.10.5.1] было использовано сразу несколько подходов из перечисленного выше списка.

Для решения проблем с прогаром спинки 1СА ТВД PW4000–112” был добавлен расход воздуха на спинку лопатки.

Рабочие лопатки ТВД PW4000 моделей 94”/ 100” у большинства операторов нарабатывают по 2500…3000 циклов между ремонтами. Однако у операторов, работающих преимущественно в условиях жаркого климата и высокой запыленности воздуха, рабочие лопатки первой ступени выходили из строя ранее этого срока. Для решения этих проблем была разработана новая лопатка «с увеличенным расходом», появившаяся в эксплуатации с 1997 года. Рабочие лопатки второй ступени ТВД подвержены коррозии и трещинам. Для исключе- ния дефектов была внедрена новая лопатка из мо-

513

Глава 8 - Турбины ГТД

Рисунок 8.10.1_1 - Трещины на профиле и полке сопловой лопатки первой ступени ТВД

Рисунок 8.10.1_2 – Трещины и прогары на профиле сопловых лопаток ТВД

нокристаллического материала с улучшенными свойствами. Кроме того, для общего снижения теплонапряженности ТВД PW4000 был внедрен пакет мероприятий («Phase 3») по снижению температуры перед турбиной (снижение температуры за турбиной составило около 15îÑ).

В 1994 году Pratt&Whitney сертифицировала пакет мероприятий по увеличению долговечности лопаток ТВД PW2000 [8.10.5.4]. Модифицированная модель двигателя была названа PW2000-RTC (Reduced Temperature Configuration – Конфигурация уменьшенной температуры) и в ней был реализован целый ряд мероприятий:

-уменьшение температуры газа перед турбиной на 44îС за счет перепроектирования КНД и увеличения расхода воздуха через газогенератор (уменьшение температуры металла 1РЛ – 25îÑ);

-увеличение расхода охлаждающего воздуха для 1РЛ (уменьшение температуры металла 1РЛ – 28îÑ);

-внедрение новой петлевой схемы охлаждения 1РЛ (см. Рис. 8.4.3_1 - уменьшение температуры металла 1РЛ на 46îÑ) è 2ÐË;

-применение монокристаллического материала 2 поколения для 1РЛ и 2РЛ (увеличивает стойкость материала к высокой температуре и сохраня-

514

Глава 8 - Турбины ГТД

ет его свойства при увеличении температуры на 27îÑ);

- применение теплозащитного покрытия на 1СА, 1РЛ и 2СА (уменьшение температуры металла 1РЛ - 28îÑ).

Таким образом, применение вышеперечисленных мероприятий снизило температуру металла лопатки на 127îС. Одновременно допустимая температура материала увеличена на 27îС, что в сумме увеличило запас по превышению допустимого уровня температуры лопатки над действительным уровнем на 154îÑ.

Очевидно, что такой комплексный подход дает наибольший эффект. По свидетельству издаваемого Pratt&Whitney журнала Customer Service [8.10.5.5], межремонтная наработка турбины и двигателей в целом после внедрения этого пакета в авиакомпании Delta Airlines возросла с 5000 часов более чем в два раза и имеет перспективы дальнейшего увеличения.

Окружная неравномерность температуры за КС тоже может стать причиной прогара рабочей лопатки. В работе [8.10.5.5] подробно рассмотрено влияние окружной неравномерности за КС на распределение температуры газа по профильной части 1РЛ ТВД.

Одномерная оценка треугольников скоростей для «горячих» и «холодных» струй показывает, что горячие струи направляются на корыто лопатки, а холодные – на спинку (см. Рис. 8.10.1_3). Аналитическое моделирование распространения «горя- чей струи» газа в проточной части ТВД (в пространственной нестационарной постановке) более детально показывает на концентрацию горячего газа на верхней части корыта лопатки (см. Рис. 8.10.1_3).

Измеренное непосредственно в двигателе распределение температуры поверхности 1РЛ подтверждает вышеприведенные оценки, так же как и характер повреждений лопатки в эксплуатации (см. Рис. 8.10.1_4).

Предложенный в [8.10.5.6] способ управления окружной неравномерностью температурного поля (исключения ее влияния на 1РЛ) заключается в размывании горячих струй путем размещения в горя- чих зонах хорошо охлаждаемых лопаток 1СА ТВД. Этот метод подтвердил свою эффективность для снижения местных температур газа.

Еще ряд характерных проявлений дефектов на 1РЛ ТВД приведен на Рис. 8.10.1_5 и 8.10.1_6. Эти дефекты проявились на ТВД двигателя LM2500 (морского применения) GE Aircraft Engines [8.10.5.7] после соответственно 8700 и 11700 ча- сов эксплуатации.

Характерными дефектами рабочей лопатки являются коррозия и эрозия торца лопатки (на всех лопатках), повреждения металла входной кромки (обе лопатки на Рис. 8.10.1_6), корыта (левая лопатка на Рис. 8.10.1_6) и верхней части корыта (лопатка на Рис. 8.10.1_5).

8.10.2 - Усталостная поломка рабо- чих лопаток

На рабочие лопатки турбины при работе двигателя действуют периодически изменяющиеся силы. Если частота возбуждающих колебаний совпадает с частотой собственных колебаний лопаток, возникает резонанс. В этом случае напряжения в лопатках резко увеличиваются, и может произойти поломка лопаток по перу или по замковой части.

Периодичность сил, вызывающих вынужденные колебания лопаток, объясняется неоднородностью потока в проточной части, связанной с конеч- ным числом статорных деталей, за которыми имеются аэродинамические и термические следы. Это форсунки и жаровые трубы камеры сгорания, сопловые лопатки, стойки в промежуточной или задней опоре, лопатки спрямляющего аппарата за турбиной и так далее.

Излом в лопатках при этом носит усталостный характер. Поломка одной лопатки обычно приводит к повреждению и разрушению остальных лопаток в рабочем колесе и даже лопаток следующих ступеней – Рис. 8.10.2_1.

Возможность возникновения резонанса обыч- но анализируется и исключается при проектировании за счет:

-изменения количества форсунок, стоек, количества сопловых лопаток и других элементов проточной части, способных возбудить колебания лопаток;

-оптимизации площадей и моментов инерции основных сечений профильной части и ножки лопатки – как за счет изменения формы профиля, так

èза счет введения специальных ребер и других элементов во внутреннюю полость лопатки;

-применения демпферов под нижними полками рабочих лопаток;

-применения бандажных полок с зигзагообразными гранями, имеющими монтажный натяг по контактным поверхностям в рабочем колесе – Рис. 8.4.2_1;

В производстве применяются следующие методы обеспечения усталостной прочности лопаток:

-повышение усталостной прочности «елочного» замка лопаток путем обработки (упрочнения) его микрошариками;

515

Глава 8 - Турбины ГТД

Рисунок 8.10.1_3 – Результаты распределения высокотемпературных струй газа в проточной части турбины [8.10.5.6] а) одномерная оценка

б) 3D-нестационарное моделирование

Рисунок 8.10.1_4 – Измеренное распределение температуры по поверхности лопатки в условиях двигателя (а) и результаты эксплуатации 1РЛ ТВД [8.10.5.6]

516

Глава 8 - Турбины ГТД

-контроль частоты собственных колебаний бесполочных лопаток;

-контроль усталостной прочности лопаток при их изготовлении.

Однако надежность аналитических методов еще не настолько высока, чтобы полностью исключить возможность возникновения резонанса или обеспечить безопасный уровень вибронапря-

Рисунок 8.10.1_5 – Состояние 1РЛ ТВД LM2500 после 8700 часов эксплуатации [8.10.5.7]. Вид на входную кромку и корыто

жений. Поэтому при доводке турбины проводится тензометрирование (измерение вибрационных напряжений на лопатках) на основе предварительного расчетного анализа наиболее опасных мест. В случае обнаружения недопустимо высокого уровня напряжений или необходимости снизить риск их увеличения проводится выбор наиболее надежных, приемлемых по себестоимости и срокам реализации мероприятий для борьбы с потенциальным дефектом.

Уменьшение резонансных напряжений без дорогостоящего и длительного перепроектирования рабочей лопатки возможно за счет увеличения уровня демпфирования или за счет уменьшения уровня возбуждающих сил. Такая ситуация, возникшая при доводке одноступенчатой ТВД на Pratt&Whitney, рассмотрена в [8.10.5.8]. Было проанализировано две возможности уменьшения уровня нестационарного давления на рабочих лопатках

– несимметричное размещение лопаток СА по окружности и перепроектирование спинки СА для уменьшения колебания (стационарного) статического давления в осевом зазоре между СА и РК.

Рисунок 8.10.1_6 – Состояние 1РЛ LM2500 после 11700 часов эксплуатации [8.10.5.7]. Вид на входную кромку и корыто. У левой и правой лопаток разное покрытие

517