close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка обобщенного метода расчета и проектирования системы влажной очистки проточной части ГТД и средств ее реализации.

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
МАЛЬЦЕВ ЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧ
РАЗРАБОТКА ОБОБЩЕННОГО МЕТОДА РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ
СИСТЕМЫ ВЛАЖНОЙ ОЧИСТКИ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ГТД
И СРЕДСТВ ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ
Специальность 05.07.05 – Тепловые, электроракетные двигатели
и энергоустановки летательных аппаратов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Самара 2013
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный
исследовательский университет)» (СГАУ) на кафедре основ конструирования машин.
Научный руководитель: Силаев Борис Михайлович,
доктор технических наук, профессор.
Официальные оппоненты: Данильченко Валерий Павлович,
доктор технических наук, профессор,
ОАО «КУЗНЕЦОВ», главный конструктор;
Зрелов Владимир Андреевич,
доктор технических наук, доцент,
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет), профессор кафедры конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов
Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный
технический университет» (НТЦ «Надежности технологических, энергетических и
транспортных машин»)
Защита состоится 31 мая 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета
Д 212.215.02 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)», по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет).
Автореферат разослан 29 апреля 2013 г.
Учёный секретарь диссертационного совета,
Д 212.215.02
2
Скуратов Д.Л.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Эффективная эксплуатация газотурбинных
двигателей (ГТД) как авиационных, так и наземного применения, энергетических установок (ЭУ) невозможна без обеспечения высоких показателей надежности и экономичности. Непосредственное влияние на эти параметры оказывает состояние деталей проточной части газотурбинных двигателей, в процессе эксплуатации которых происходит
загрязнение ее элементов пылью, солями, частицами масла, сажей, несгоревшими остатками топлива и др. Это приводит к нерасчетному изменению геометрии проточной части
и искажению в ней полей давлений и скоростей, что, в свою очередь, вызывает ухудшение энергетических характеристик и вибрационного состояния двигателя, а именно:
снижение расхода воздуха и давления за компрессором, мощности и КПД, рост вибронапряженности элементов его конструкции. Загрязнение двигателя существенно зависит
от условий, в которых он эксплуатируется, при этом в наибольшей степени загрязняются
элементы проточной части компрессора. Повышенное загрязнение особенно характерно
при эксплуатации авиационных ГТД в наземных условиях, например, при использовании их в качестве привода газоперекачивающих агрегатов в магистральных газопроводах. Так, загрязнение проточной части осевого компрессора при работе в указанных условиях приводит к уменьшению расхода воздуха до 6% и снижению КПД компрессора
на 2÷3%, что вызывает снижение эффективного КПД до 2÷5%, полезной мощности двигателя до 10%, при этом расход топлива возрастает до 10%. Поэтому восстановление
энергетических характеристик и улучшение энергетического состояния ГТД путем очистки проточной части является важной и актуальной темой исследования.
Степень разработанности темы. Для восстановления энергетических характеристик и улучшения вибрационного состояния газотурбинных двигателей в настоящее
время применяются различные способы очистки их проточной части. Наибольшее распространение среди них получил способ влажной очистки проточной части различными
моющими жидкими растворами. Но, несмотря на многолетний опыт, основанный на эмпирическом подходе, теоретического обоснования применения и выполнения влажной
очистки не получено. На данный момент не создано также методов расчета процессов
очистки и выбора рациональных конструктивных параметров устройств для ее проведения. В этой связи разработка обобщенного метода расчета и проектирования системы
влажной очистки, а также средств ее реализации, основанных на минимизации расхода
моющей жидкости и оптимизации ее подачи на детали проточной части ГТД, является
насущной задачей.
Цели и задачи. Цель работы – разработка обобщенного метода расчета и проектирования системы влажной очистки проточной части ГТД и средств ее реализации,
обеспечивающих улучшение эксплуатационных показателей ГТД путем выбора рациональных, расчетно-обоснованных параметров процесса очистки и характеристик
устройства для ее проведения.
Задачи исследования:
- обоснование и построение многофакторной концептуальной модели системы
влажной очистки проточной части ГТД, устанавливающей соотношение общего вида
между интенсивностью разрушения (изнашивания) пленки загрязнений, её геометрическими и физическими характеристиками, рабочими параметрами воздушного потока в воздухозаборнике, его геометрией и параметрами жидкости-очистителя и устройства для очистки;
- разработка математической модели процесса влажной очистки проточной части
ГТД, позволяющей решить задачу определения параметров очистки в зависимости от
3
параметров режимов работы двигателя;
- разработка геометро-кинематической модели устройства для влажной очистки,
устанавливающей взаимосвязь его конструктивных и рабочих параметров с геометрическими и кинематическими параметрами воздухозаборника ГТД;
- обоснование и создание методики расчета и проектирования модельной малоразмерной стендовой установки для определения рациональных параметров режимов
влажной очистки проточной части ГТД в лабораторных (заводских) условиях;
- экспериментальная проверка теоретических зависимостей и выдвинутых положений, при которых обеспечиваются основные требования к очистке и восстановление рабочих параметров ГТД;
- разработка на основе полученных модельных представлений и экспериментальных данных обобщенного метода расчета и проектирования системы влажной
очистки проточной части ГТД и средств ее реализации.
Научная новизна заключается в следующем:
- разработана многофакторная концептуальная модель системы влажной очистки
проточной части ГТД, устанавливающая взаимосвязь всех основных конструктивных,
технологических и эксплуатационных параметров; показана перспективность ее использования как основы для анализа по выявлению наиболее значимых факторов и
выбору направлений расчетно-аналитических и экспериментальных исследований;
- обоснована декомпозиция сложной концептуальной модели на блоки-модели
второго уровня: модель процесса влажной очистки и геометро-кинематическая модель устройства для влажной очистки;
- выдвинуто и обосновано положение о рассмотрении процесса влажной очистки
как изнашивание (разрушение) пленки загрязнений на элементах проточной части
ГТД по механизму процесса гидрогазовой эрозии при движении дисперсной системы
частиц жидкой среды в воздушном потоке работающего двигателя, что позволило
разработать математическую модель процесса влажной очистки, позволяющую решить задачу определения параметров очистки в зависимости от конструктивных и
режимных параметров работы двигателя;
- разработаны геометро-кинематическая модель устройства для влажной очистки
и алгоритм выбора его конструктивных и рабочих параметров в зависимости от геометрических, кинематических и рабочих параметров воздухозаборника ГТД;
- предложено и обосновано определение рациональных параметров влажной
очистки проточного тракта ГТД (давление подачи воздуха и жидкости-очистителя,
продолжительность проведения очистки, расход жидкости и эффективность применяемых для этих целей жидкостей) проводить на модельной малоразмерной стендовой установке в лабораторных (заводских) условиях без дорогостоящих опытнопромышленных испытаний двигателей, в связи с этим создана методика расчета и
проектирования указанного устройства;
- разработан обобщенный метод расчета и проектирования системы влажной
очистки проточной части ГТД и средств ее реализации, позволяющий адаптировать
систему под любой газотурбинный двигатель на любом этапе его жизненного цикла,
т.е. как на вновь создаваемых, так и эксплуатируемых в различных условиях, без проведения дорогостоящих опытно-промышленных испытаний.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость результатов работы заключается в создании впервые
модельных представлений о процессе влажной очистки проточной части работающе-
4
го газотурбинного двигателя и разработке на этой основе обобщенного метода расчета и проектирования системы очистки и средств её реализации.
Практическая значимость результатов работы состоит в том, что:
- применение разработанной системы влажной очистки и созданного устройства
для ее реализации позволяет обеспечить высокую эффективность как в части удаления загрязняющих веществ с элементов проточного тракта двигателя и восстановления его экономических показателей, так и в части экономии расходных средств и
удобства обслуживания при выполнении операции очистки, о чем свидетельствуют
опытно-промышленные испытания двигателя НК-12СТ и исследования на малоразмерном стенде в лабораторных (заводских) условиях;
- применение разработанной методики определения рациональных параметров
режимов влажной очистки проточного тракта ГТД на малоразмерной стендовой установке без проведения опытно-промышленных испытаний двигателей, позволяет существенно снизить затраты времени и средств на внедрение в эксплуатацию системы
и устройства для влажной очистки;
- разработанные метод влажной очистки проточной части ГТД и конструктивная
схема устройства апробированы в опытно-промышленных условиях и показали высокую эффективность как с точки зрения удаления загрязняющих веществ с элементов
тракта двигателя и восстановления его экономических показателей, так и в части
удобства обслуживания при выполнении очистки;
- метод и устройство универсальны, поэтому разработанный расчетный алгоритм может быть адаптирован под любой газотурбинный двигатель, как вновь создаваемый, так и эксплуатируемый в различных условиях без проведения дорогостоящих
опытно-промышленных испытаний;
- разработанные метод расчёта и алгоритм выбора рациональных параметров могут быть использованы при проектировании новых ГТД, а также при их модернизации. При этом снижаются затраты времени и средств на проектирование, доводку и
внедрение, т.к. метод имеет высокую достоверность и учитывает все основные конструктивные, технологические и эксплуатационные факторы;
- Метод расчёта и проектирования системы влажной очистки внедрен на ОАО
«КУЗНЕЦОВ», г. Самара. Результаты проведённых исследований использованы при
создании технической документации авиационных ГТД. Конструкция устройства для
влажной очистки предложена для производства на двигателестроительных предприятиях
и применяется в учебном процессе СГАУ.
Методология и методы исследования. Общий методологический подход к
решению проблемы базируется на системном анализе, математическом и расчетном
моделировании процессов, протекающих в проточной части газотурбинного двигателя. Для решения задач использовались методы математического анализа, гидрогазодинамики, трибологии и проведения модельных и натурных экспериментов.
Объекты исследования:
- устройство для влажной очистки проточной части ГТД;
- модельная малоразмерная стендовая установка для экспериментальных исследований процессов влажной очистки элементов компрессора и определения рациональных параметров ее режимов.
Предметом исследований являются:
- процессы взаимосвязи и взаимовлияния элементов системы влажной очистки и
конструктивно-эксплуатационных параметров входной части ГТД и их влияние на
5
интенсивность разрушения (изнашивания) пленки загрязнений на деталях проточной
части;
Положения, выносимые на защиту:
- многофакторная концептуальная модель системы влажной очистки проточной
части ГТД, устанавливающая взаимосвязь между интенсивностью разрушения (изнашивания) пленки загрязнений, её геометрическими и физическими характеристиками,
рабочими параметрами воздушного потока в воздухозаборнике, его геометрией и параметрами жидкости-очистителя и устройства для очистки, а также её декомпозиция
на блоки-модели второго уровня: модель процесса влажной очистки и геометрокинематическую модель устройства для влажной очистки;
- математическая модель процесса влажной очистки, позволяющая решить задачу определения параметров очистки от конструктивных и режимных параметров работы двигателя;
- геометро-кинематическая модель устройства для влажной очистки, устанавливающая взаимосвязь его конструктивных и рабочих параметров с геометрическими,
кинематическими и рабочими параметрами воздухозаборника ГТД;
- положение о целесообразности определения рациональных параметров влажной очистки проточной части ГТД на модельной малоразмерной стендовой установке
в лабораторных (заводских) условиях без проведения дорогостоящих опытнопромышленных испытаний двигателей; методика расчета и проектирования указанного устройства; результаты экспериментальных исследований по подтверждению
адекватности модельных представлений;
- обобщенный метод расчета и проектирования системы влажной очистки проточной части ГТД и средств её реализации.
Степень достоверности разработанных моделей и полученных результатов исследований подтверждена сходимостью результатов расчета с экспериментами данными,
полученными на специально созданном модельном стенде, опытно-промышленными
испытаниями двигателя и данными других авторов.
Апробация результатов исследования. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: международной научно-технической конференции «Проблемы
и перспективы развития двигателестроения» (СГАУ, Самара, 2009), молодёжной научно-технической конференции с международным участием «Х Королёвские чтения»
(СГАУ, Самара, 2009), пятой Всероссийской школе-семинаре аспирантов и молодых
ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (УГАТУ, Уфа, 2010), II международной молодежной научной конференции «Гражданская авиация: 21 век» (УВАУГА,
Ульяновск, 2010), III международной научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века» (ЦИАМ, Москва, 2010), международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (СГАУ, Самара,
2011), международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы
трибологии» (СНЦ РАН, Самара, 2011), международном научно-техническом форуме
посвященном 100-летию ОАО «Кузнецов» и 70-летию СГАУ (СГАУ, Самара, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ. Из них: 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 статья и 8 тезисов докладов в иных изданиях.
Структура и объём работы. Работа изложена на 150 страницах, содержит 7 таблиц, 56 рисунков, состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, включающего 122 источника.
6
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранной темы, степень ее разработанности, определена цель, объекты и предмет исследования, показаны научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, методология и методы исследования. Дана краткая характеристика работы и сформулированы основные положения, выносимые
на защиту.
В первой главе проведен обзор научно-технической литературы, посвященной
разработке способов и устройств для очистки проточной части современных авиационных ГТД. Рассмотрены основные проблемы их проектирования. Над этими вопросами
работает ряд исследователей и организаций: В.В. Коротков, Б.М. Силаев, И.Л. Шитарев,
ОАО «КУЗНЕЦОВ», СГАУ (г. Самара, Россия); А.В. Андреев, В.В. Куприк, В.М. Чепкин, ОАО НПО «Сатурн» (г. Москва, Россия); А.А. Иноземцев, С.Х. Полатиди, В.Ф. Халиулин, ОАО «Авиадвигатель» (г. Пермь, Россия); Л.В. Карась, Г.Г. Муштаков, Л.В. Локай, ЗАО «Заречье» (г. Казань, Россия); В.П. Алаторцев, Х.С. Гумеров, УГАТУ (г. Уфа,
Россия); А.Г. Андриец, ХАИ (г. Харьков, Украина); E. Jeffs, J.P. Stalder (США).
Дана оценка достижений в области создания и использования систем очистки; рассмотрена практика многолетней эксплуатации авиационных ГТД различного назначения, позволившая выделить из ряда способов в качестве основных два преобладающих
вида очистки, а именно: способ и систему «сухой» очистки с подачей в проточную часть
двигателя твердых частиц; способ и систему влажной очистки с встроенными в воздухозаборник форсунками или встроенным коллектором с подачей в проточную часть жидкости-очистителя. Схемы очистки приведены на рисунке 1. Для исследования выбран
способ и система с встроенным коллектором. Данный способ наиболее распространён и
является наиболее технологичным.
а
б
Рисунок 1 - Принципиальные схемы очистки проточной части ГТД путем подачи твердых частиц (а) и с подачей жидкости-очистителя через встроенный
коллектор (б)
Анализ научно-технических публикаций показал, что в настоящее время функциональная зависимость скорости очистки, определяющей ее эффективность, от воздействующих факторов и конструктивных параметров пока не найдена. Практически эффективность и скорость очистки определяют экспериментально при дорогостоящих натурных испытаниях двигателей. Сделан вывод о том, что в двигателестроительной отрасли
не проводились исследования, результаты которых позволили бы разрабатывать методы
расчета и проектирования систем очистки и средства для их реализации без дорогостоящих опытно-промышленных испытаний двигателей. Отсутствие научно обоснованных
рекомендаций по расчету, проектированию и эффективному применению в эксплуатации систем влажной очистки проточной части ГТД позволили сформировать задачи исследования.
Вторая глава посвящена разработке модельных представлений системы влажной
очистки проточной части ГТД. На основе рассмотрения физических процессов при дви7
жении воздушно-жидкостного потока по проточному тракту двигателя, представленному на рисунке 2, обоснована и построена многофакторная концептуальная модель системы влажной очистки, при этом за основу физических процессов принята модель гидрогазовой эрозии пленки загрязнений, т.е. разрушение (изнашивание) ее при движении
дисперсной системы частиц жидкой среды в воздушно-газовом потоке работающего
двигателя. Традиционные модельные представления эрозии рассматривают ее как кумулятивный процесс, при котором разрушение поверхности материала вызывается приложением многократной ударной нагрузки отдельной частицей. В рассматриваемом случае
помимо ранее названных механических факторов, влияющих на процесс разрушения,
вносят свой вклад гидродинамические эффекты, кавитационные явления, химическое
взаимодействие частиц жидкости и материала пленки загрязнений и др.
Представив основной параметр влажной очистки – интенсивность разрушения I h
пленки загрязнений в виде общей функциональной зависимости от вышеназванных факторов, будем иметь:


I  f М , Х , L, G , , T * , P*
h
i
вхi вхi ,


М  f  , , Е , G , 
1 в в пл пл пл
Х  f  , Д ,С ,
2 пл пл n


,
L  f  L , L , h , h  ,
3  вх y f S 


(1)
,
G  f G ,G
i
4 вi жi
T *  f T * ,T , G , G
,
вх
5 вi жi вi жi
P*
 f P* , P
.
6 вi жi
вх  i 




Структурная схема процесса функционирования очистки, описываемая системой (1) и
представленная на рисунке 2, б, содержит следующие параметры и переменные.
В качестве параметров приняты М и Х – механические и химические свойства пленки загрязнения, соответственно; геометрические характеристики L входной части двигателя, устройства для очистки и пленки загрязнений; параметры рабочего процесса в воздухозаборнике на соответствующем режиме работы двигателя – расход воздуха в единицу времени G , его температура T * и давление P* ,  - время очистки, где i - условный
вi
вi
вi
номер режима работы двигателя: I - номинальный режим, II – режим малого газа, III –
холодные прокрутки двигателя от пусковой турбины. Переменными процесса, как видно
из рисунка 2, б, являются подаваемое из встроенного в воздухозаборник 1 устройства 2
количество жидкости-очистителя G , ее температура Т
и давление Р . Далее,
жi
жi
жi
воздушно жидкостная среда поступает в компрессор 3 с параметрами воздушно-
жидкостной смеси G , T * , P* и, перемещаясь по проточной части двигателя, покаi
вхi
вхi
занной на рисунке 2, а, очищает ее.
Общее решение системы уравнений (1), отражающей концептуальную (обобщенную) модель системы влажной очистки проточного тракта ГТД, представляется весьма
сложным и затруднительным. Поэтому реализацию поставленной задачи по очистке
8
предложено проводить путем декомпозиции концептуальной модели на отдельные компоненты – модели второго уровня. Одна из них описывает процесс разрушения (изнашивания) пленки загрязнений на деталях проточной части двигателя, вторая – представляет
собой геометро-кинематическую модель устройства для очистки.
а
б
II
III
НР
МГ
ХП
GжIII, TжIII, pжIII
GжII, TжII, pжII
GвI, T*вI, p*вI
G∑I, T*вхI, p*вхI
GвII, T*вII, p*вII
G∑II, T*вхII, p*вхII
GвIII, T*вIII, p*вIII
G∑III, T*вхIII, p*вхIII
К выходному сечению сопла
двигателя
I
GжI, TжI, pжI
2
3
1
1 – воздухозаборник; 2 – устройство для влажной очистки; 3 – компрессор;
4 – редуктор; 5 – камера сгорания; 6 – турбина; 7 – реактивное сопло
Рисунок 2 - Схема ГТД (а) и структурная схема функционирования
системы влажной очистки проточной части (б)
Учитывая, что наиболее загрязненными являются первые ступени компрессора,
процесс влажной очистки и построение модели процесса выполнено для одной ступени,
показанной на рисунке 3, так как если
обеспечить очистку наиболее загрязненной ступени, следовательно, очистятся и
последующие менее загрязненные участки
проточного тракта.
Рассматривая процесс разрушения
пленки загрязнений как процесс ее изнашивания воздушно-жидкостной дисперсной средой и опираясь на обобщенную
термокинетическую модель изнашивания,
разработанную профессором Б.М. СилаеРисунок 3 - Схема процесса влажной очистки
ступени компрессора
9
вым, сформировано математическое описание – модель процесса очистки:
- интенсивность разрушения (изнашивания) пленки загрязнений
 h
a
I 
K S S K  S S
h L
S
S j
f

h
 
f
a
 S
 ;


(2)
- длина обтекания очищаемых поверхностей за время очистки
G

V (см)
;
L V

f
в(см)
z  z 
p p н н
(3)
- уравнение теплового баланса для зоны смешения жидкости-очистителя с воздушным потоком
С




G Т* Т*  С
G Т  Т * ;(4)
р(в) в вх
н
вх
р  ж ж ж
- работа сжатия рабочего тела в ступени компрессора
к 1 


 1
.
L С
Т *   * к  1
ст
р  см  вх ст


 ст


(5)
В результате решения системы (2)…(5) получена расчетная модель гидрогазоэрозионного разрушения пленки загрязнений, выраженная через взаимодействующие интегральные параметры воздушно-жидкостного потока с загрязненной поверхностью деталей:
- интенсивность разрушения пленки загрязнений
a

к 1 
 S
*

 1  ст hsТ вх 
I  K   * к  1 
 ;
h
S
ст

h

Т


ст
f ст 





(6)
- температура на входе в ступень и выходе из нее
Т* 
вх
Т*  Т* 
ст
вх С
С
G Т*  С
G Т
p в в н
р ж ж ж
С
G С
G
р (в ) в
р( ж) ж
L
ст
р  см 
; Т
ст
;
(7)
 Т* Т* ,
ст вх
- время (продолжительность) проведения очистки

h
f
 z p  p  zн  н 
G
I
V  см  h
.
(8)
 h
В приведенных соотношениях (2)…(8): S  S S
j
-
термокинетический крите-
рий изнашивания (разрушения поверхности), характеризующий отношение производства энтропии  в подвергаемом трибовоздействиям слое h твердого тела к измеS
S
10
нению в нем энтропии за счет переноса потоком j ; K
S
и a
S
S
соответственно коэф-
фициент пропорциональности и показатель степени, определяемые эксперименталь- скорость воздушно-жидкостного потока; G
- объемный расход
но; V
в  см 
в(см)
смеси воздуха и жидкости-очистителя; z
лопаток в ступени, соответственно; 
р
р
и z - количество рабочих и спрямляющих
н
и  - площадь межлопаточного канала в ран
бочем колесе и спрямляющем аппарате, соответственно; G и G
воздуха и жидкости, соответственно; С
р в
, С
ха, жидкости и их смеси, соответственно;  *
ст
р ж
и С
в
р  см 
ж
- массовый расход
- теплоемкость возду-
- степень повышения давления в сту-
пени компрессора; к – показатель изоэнтропы; 
ст
- КПД ступени компрессора; h f
толщина пленки загрязнений.
В рамках поставленной задачи на основании анализа расчетной схемы и оценки
достаточности исходной информации можно
видеть, что структура расчета (система уравнений (6)…(8)) учитывает через интегральные
характеристики 
ст
и  * , температуру Т * и
ст
вх
Т * и геометрию ступени, все основные параст
метры и переменные, определяющие процесс
разрушения пленки загрязнений. Воздействие
некоторых трудноучитываемых факторов, например, химических процессов и др., учитывается
в
модели
путем
расчетноэкспериментального определения коэффициента K и показателя степени a функции I
S
1-воздухозаборник, 2-коллектор,
3-форсунка
Рисунок 4 - Конструктивная схема
устройства для влажной очистки
проточной части ГТД
S
h
при модельном эксперименте.
Геометро-кинематическая модель устройства для очистки проточного тракта ГТД обеспечивает получение геометрических характеристик и рабочих параметров устройства,
встраиваемого в воздухозаборник двигателя.
Конструкция и функционирование устройства согласованы с геометрическими характеристиками входной части двигателя и рабочими параметрами воздушного потока. Конструктивная схема устройства для влажной очистки проточной части ГТД приведена на рисунке 4.
Указанная взаимосвязь получена на основе решения задачи по выбору оптимальных параметров процесса промывки:
11
- угол положения оси форсунки относительно образующей воздухозаборника,
показанный на рисунке 4, определяется из
выражения
(9)
  90  arctgh / l ;
V
T
T
- диаметр форсунки
d
ф

 DH2  Dв2   td

n V sin arctgh / l
ж в
T T

;
(10)
- количество форсунок
0
n  360

ф
;
(11)
- минимально необходимое давление
жидкости в коллекторе, обеспечивающее
Рисунок 5 - Зависимость угла наклона  0 минимальный ее расход и эффективное
оси форсунок (1 и 2) и относительной скороудаление загрязнений со всех участков
сти V ж  Vж min Vв подачи промывочной
промываемой поверхности


жидкости (3 и 4) от безразмерной координа V 2 sin 2 arctgh / l
T T  P . (12)
ты расположения форсунок hT / lT
P
 ж в
ж min
в
2
В зависимостях (9)…(12): 
ной форсунки, 
ж
ж
- коэффициент расхода, 
- плотность жидкости-очистителя, t
d
ф
- угол распыла струй-
- толщина динамического
слоя жидкости, покрывающего поверхность в единицу времени. Остальные параметры ясны из рисунка 4.
Характер изменения конструктивных параметров и расходных характеристик
устройства в зависимости от массового расхода
воздуха G , кг/с через двигатель на режимах ра-
в
боты: ХП - режим холодных прокруток двигателя;
ММ - режим работы малой мощности; МГ - режим работы «Малый газ»; НР - номинальный режим работы, представлен на рисунках 5 и 6.
В третьей главе приведены обоснования определения рациональных параметров режимов
влажной очистки проточного тракта ГТД на малоразмерной стендовой установке в лабораторных
Рисунок 6 - Изменение расхода
промывочно-очищающей жидкости (заводских) условиях без проведения дорогостояв зависимости от конструктивного щих опытно-промышленных испытаний двигателей; показаны результаты разработки конструкции
h
фактора T
стендовой установки, методика её расчета и проlT
ектирования и методика проведения испытаний.
Показано, что определение рациональных параметров режимов влажной очистки
двигателя целесообразно из экономических соображений проводить в лабораторных
(заводских) условиях на малоразмерной стендовой установке, исходя из принципа
физического моделирования, т.е. производить очистку реальных деталей, образующих проточную часть двигателя, например, кассеты образцов в виде сектора-набора
12
лопаток, взятых из направляющего аппарата компрессора. Кассета образцов закрепляется на торце смесительной камеры установки и производится обдувка их сжатым
воздухом со скоростью, равной скорости воздушного потока в проточной части двигателя на режиме его работы, принятом для проведения очистки. Одновременно в
смесительную камеру подается под расчетным давлением и под соответствующим
углом относительно направления воздушного потока жидкость-очиститель. Конструктивно-схемное решение и пневмогидравлическая схема стендовой установки
представлены на рисунке 7.
Методика расчета и проектирования малоразмерной стендовой установки получена на основе совместного решения уравнений неразрывности потоков в проточной
части двигателя и в смесительной камере установки, а также из условия полного охвата всей очищаемой площади лопаток воздушно-жидкостной смесью и включает в
себя определение следующих основных параметров.
Рисунок 7 - Конструктивная и пневмогидравлическая схемы малоразмерной
стендовой установки для очистки проточной части ГТД
Для обеспечения требуемой скорости воздушного потока в смесительной камере
стендовой установки воздух в нее подается под перепадом давления, определяемым
из соотношения
8F 2V 2 
S в (i ) в
Р

,
2
4
в i 
 d
в
(13)

h

sin 2  arctg  Т  
l 

c ж в i 

Т 

Р

.
ж i 
2 2 F 2
в в
(14)
а жидкость-очиститель – под перепадом давления, рассчитываемым по зависимости
  G2
Подвод сжатого воздуха в смесительную камеру установки производится через
форсунку с диаметром проходного сечения, определяемым из соотношения
d 
в
4F
S
 K 
 ф


,
(15)
а подача жидкости-очистителя в смесительную камеру – через форсунки в количестве, рассчитываемом по зависимости
13

n к
(16)
 ,
ф
и с диаметром проходного сечения, определяемым по формуле
4F F  t
d
ж

S в вd
.

h

 n  G
sin arctg  Т  
l 
c ж в  i  

Т 

(17)
Угол  установки оси сопла форсунки определяют по соотношению (9).
В расчетных зависимостях (13)…(17) имеем: i – номер режима испытаний;  и

ж
- плотность воздуха и жидкости-очистителя, соответственно; 
и 
в
- коэф-
в
ж
фициенты расхода воздуха и жидкости, соответственно;   0, 7...0,96 - коэффициент
c
потерь скорости в смесительной камере; F и F - площадь поперечного сечения
S
в
воздухозаборника двигателя и смесительной камеры, соответственно; 
тора кассеты образцов-лопаток; 
K
ф
F
 S
F
ф
ф
к
- угол сек-
 100  200 - угол распыла струйной форсунки;
- задаваемый (принимаемый) при расчете и проектировании стендовой
установки коэффициент отношения площади F
камеры установки к площади F
ф
S
поперечного сечения смесительной
поперечного сечения отверстия форсунки подвода
сжатого воздуха. Остальные параметры расшифрованы выше.
Из анализа соотношений (13)…(17) видно, что конструктивные и рабочие параметры стендовой установки взаимосвязаны с конструктивными и рабочими параметрами двигателя, что позволяет имитировать влажную очистку проточной части на
любом из принятых режимов его работы. Предложенная методика определения рациональных параметров режимов влажной очистки проточного тракта ГТД (давление
подачи жидкости-очистителя, продолжительность проведения очистки, эффективность применяемых для очистки жидкостей и их расход) при выполнении ее на малоразмерной стендовой установке устраняет проблему получения данных по очистке
путем проведения дорогостоящих опытно-промышленных испытаний натурных двигателей, что в конечном счете приносит помимо технического существенный экономический эффект.
Методика проведения испытаний на стендовой установке предусматривает
предварительную расчетную подготовку по определению диаметров сменных жиклеров в воздушной и жидкостной форсунках – формулы (15) и (16), затем оценку необходимых перепадов давления на указанных форсунках - соотношения (13) и (14). Далее следует подготовка пневмосистемы и гидросистемы установки, показанных на
рисунке 7, для испытаний. При проведении испытаний в зависимости от расхода воздуха, имитирующего любой из возможных режимов работы двигателя, например, холодные прокрутки, режим «Малый газ», номинальный режим и др., изменение подачи
жидкости-очистителя осуществляется через гидросистему установки с помощью измерительно-регулировочной аппаратуры. Конечная цель экспериментальных модельных испытаний – это определение интенсивности разрушения пленки загрязнений I ,
h
14
по величине которой определяются коэффициент пропорциональности K
тель степени a для расчетно-экспериментальной формулы (6).
S
и показа-
S
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований на
модельной стендовой установке по проверке адекватности разработанных модельных
представлений условиям выполнения влажной очистки и обобщение полученных теоретических и экспериментальных данных, сформированных в виде метода расчета и проектирования системы влажной очистки проточной части ГТД и алгоритма выбора ее рациональных параметров.
Экспериментальные исследования проведены на созданной малоразмерной модельной стендовой установке, с имитацией четырех режимов работы одного из двигателей семейства НК: холодные прокрутки (ХП), малый газ (МГ), режим малой мощности
(ММ) и номинальный режим работы (НР). На рисунке 8 показана установка в процессе
испытаний.
В результате проведенных экспериментов определены рациональные параметры
системы очистки: угол установки оси форсунки α, ее диаметр d , расход Q , температура подогрева T
нальности K
ж
S
ж
ж
, время очистки  . Получены величины коэффициента пропорцио-
и показателя степени a
S
для расчетного соотношения (6). Результаты
приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Значение рациональных параметров очистки для возможных режимов
работы двигателя
Q
, K a
р ,
р ,
р , р , Т , Т , Т , h , ,
см
2,6
4,2
5,7
7,5
2
кс
ж
кг 2 кг 2
см
см
1,02
1,055
1,08
1,12
4,0
6,8
10,0
13,0
н
мм.
рт.ст
752
754
745
745
н
0
С
ж
0
С
26
28
17
17
20
24
22
22
кс
f мин
0
С мм
19
22
20
20
0,5
0,5
0,5
0,5
17
14
12,5
9
V (ж)
л.
28
25,5
23,5
17,5
S
S
4,6947
ХП
МГ
ММ
НР
в
кг
0,0012
Режим
работы
Показано, что одним из существенно значимых факторов, влияющих на интенсивность разрушения пленки загрязнений для заданной жидкости-очистители, является ее
температура, что видно из рисунка 8. Рассмотрено
влияние скорости воздушного потока и давления подачи жидкости на процесс разрушения и удаления
пленки загрязнений. Показано, что с увеличением
скорости, также как и с увеличением давления подачи, время очистки сокращается. Это следует из графиков, представленных на рисунке 9.
Проведенные эксперименты по очистке проточной части при опытно-промышленных испытаниях двух типов двигателей семейства НК, используеРисунок 8 - Зависимость времени мых в магистральных газопроводах, подтвердили
очистки от температуры жидко- соответствие расчетных и экспериментальных данных по определению конструктивных и рабочих пасти-очистителя
раметров устройств по очистке и режимов их функционирования. Расхождение не превышает 10%.
Анализ эксплуатации авиационных ГТД в различных условиях показал важность
15
установления периодичности проведения очистки проточной части двигателя. Она определяется многими факторами – условиями эксплуатации, временем года и местом, где
эксплуатируется двигатель. Так, при наземном применении авиационных ГТД для перекачки газа показана периодичность очистки в летнее время через каждые 300…400 часов
наработки, в зимнее время ее проводят через 1000…1200 часов наработки. При этом каждую очистку проводят при остановленном двигателе, что нежелательно, так как весьма затратно. Поэтому для таких условий эксплуатации ГТД в данной работе рекомендуется проводить очистку по схеме, приведенной на рисунке 10. Как можно видеть из схемы, кратковременные очистки необходимо проводить на одном из режимов работы двигателя без его останова. После 3…5 таких очисток двигатель необходимо остановить и
провести более тщательную очистку на холодных прокрутках до восстановления его показателей, близких к исходным.
а
б
Рисунок 9 - Зависимость времени очистки от скорости воздушного потока (а) и
давления жидкости-очистителя (б)
На основании обобщения полученных теоретических и экспериментальных данных
разработаны обобщенный метод расчета и проектирования системы влажной очистки
проточной части ГТД и средств ее
реализации, а также алгоритм выбора параметров ее структурных
элементов, обеспечивающих эффективное функционирование как
с точки зрения тщательного удаления пленки загрязнений, так и
экономичного расходования промывочно-очищающих жидкостей.
Блок-схема алгоритма такого ре1- характер изменения давления без проведения очисток;
шения, показанная на рисунке 11,
2- влияние периодических очисток на изменение давления при
предусматривает выполнение расрежимной работе
3- влияние периодических очисток на изменение давления при четов в два этапа.
холодных прокрутках.
Первый этап представленноРисунок 10 - Влияние очистки на давление
го метода заключается в решении
за компрессором
задачи по определению конструктивных и рабочих параметров устройства для очистки, обеспечивающих разрушение и
удаление загрязнений со всей очищаемой площади проточной части. Второй этап метода
предусматривает расчет параметров процесса очистки – интенсивность разрушения
пленки загрязнений, температурное состояние потока, продолжительность процесса очистки, удельный и полный расход жидкости-очистителя.
16
Исходные данные
Д н , Д в , lT , hT , h f , z р , z н ,  р ,  н , Gв ,  в ,
Геометрические, кинематические и физические параметры входной части ГТД,
воздушного потока, жидкости и пленки.
C p (в ) , Pв ,  ж , C p ( ж ) , Т н* , Т ж , к ,  ст , ст .
 v  90 0  arctg
dф 
Pж min 
Д
Т 
t d  0,8 1,5 10 3 м с 2
0
0;
n  360
 ф ;  ф  10  20
 Д в2   td
h
nфVв sin  arctg T 
lT 

 жVв2 sin 2  arctg hT l 
Рф min
*
вх
2
н
hT и lT элементы конструкции воздухозаборника и устройства (рис.4)
hT
lT
Vв 
T 

 Pв
2
 Pж min  Pв
С р (в ) Gв Т н*  С р ( ж ) GжТ ж
Gж 
С р (в ) Gв  С р ( ж ) Gж
  * кк1  1 
*
Т ст
 Т вх* 1    ст
 1 

 ст 
 
 * k 1 
h
Т* 
I h  K S   ст k  1 1  ст  S  вх 
ст h f Т ст 



4Gв
 в  Д н2  Д в2

ф  0,6  0,65

  Д н2  Д в2  t d  ж
4
*
 ст
, k ,ст - см.исходные данные
*
Tст  Т ст
 Т вх*
аS
K S , a S - из модельного эксперимента
h f  z р  р  zн  н 
Gв ( см ) 
Gв ( см ) I h
Gв
в

Gж
ж
Q ( ж )  Gж
Рисунок 11 - Структурная схема обобщенного метода расчета и проектирования системы
влажной очистки проточной части ГТД
Заключение
Решена научно-техническая задача, имеющая существенное значение для повышения эксплуатационных показателей авиационных газотурбинных двигателей, за счет выбора рациональных, расчетно-обоснованных параметров процесса очистки и характеристик устройства для его реализации на основе разработанного обобщенного метода расчета и проектирования системы влажной очистки проточной части ГТД.
По итогам решения этой задачи сделаны следующие выводы:
1. Обоснована и построена многофакторная концептуальная модель системы влаж17
ной очистки проточной части ГТД, устанавливающая соотношение общего вида между
интенсивностью разрушения (изнашивания) пленки загрязнений, её геометрическими и
физическими характеристиками, рабочими параметрами воздушного потока в воздухозаборнике, его геометрией и параметрами жидкости-очистителя и устройства для очистки.
2. Разработана математическая модель процесса влажной очистки, позволяющая
решить задачу определения параметров очистки в зависимости от параметров режимов
работы двигателя.
3. Разработаны геометро-кинематическая модель устройства для влажной очистки
проточной части ГТД и алгоритм выбора его конструктивных и рабочих параметров в
зависимости от геометрических, кинематических и рабочих параметров воздухозаборника двигателя.
4. Предложено и обосновано определение рациональных параметров влажной очистки проточной части ГТД проводить на малоразмерной модельной стендовой установке
в лабораторных (заводских) условиях без дорогостоящих опытно-промышленных испытаний двигателей, для чего предложена и реализована конструкция модельной стендовой
установки и создана методика расчета и проектирования указанного устройства.
5. Разработан обобщенный метод расчета и проектирования системы влажной очистки проточной части ГТД и средств ее реализации, позволяющие адаптировать систему
под любой газотурбинный двигатель на любом этапе его жизненного цикла, т.е. как на
вновь создаваемых, так и эксплуатируемых в различных условиях. Это обеспечивает:
- сокращение сроков разработки и доводки системы влажной очистки более, чем в 2
раза;
- исключение проведения специальных опытно-промышленных испытаний двигателей по определению рациональных параметров очистки, что обеспечивает экономию
средств не менее, чем на порядок;
- сокращение времени очистки в эксплуатационных условиях и экономию дорогостоящих промывочных жидкостей на 40%.
6. Разработанный метод расчета и проектирования системы влажной очистки проточной части ГТД внедрен на ОАО «Кузнецов» на авиационных двигателях, эксплуатируемых в наземных условиях, в системе перекачки газа. Результаты диссертационной
работы используются в учебном процессе СГАУ.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
в ведущих рецензируемых научных изданиях, определённых ВАК:
1. Силаев, Б.М. Теоретическое обоснование конструктивной схемы устройства для
промывки газовоздушного тракта ГТД / Б.М. Силаев, Е.Н. Мальцев // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева. – 2009. – № 3(19). – Ч.1. – С. 167-171.
2. Силаев, Б.М. Адаптация обобщенной модели изнашивания к условиям гидрогазоэрозионного разрушения пленки загрязнений при очистке проточного тракта ГТД /
Б.М. Силаев, Е.Н. Мальцев // Трение и смазка в машинах и механизмах. – 2011. – № 6.
– С. 35-37.
3. Силаев, Б.М. Концепция обобщенного метода расчета и проектирования системы
влажной очистки проточного тракта ГТД / Б.М. Силаев, Е.Н. Мальцев // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П.
Королева. – 2011. - №3(27). – Ч.3. – С. 277-281.
18
4. Силаев, Б.М. Разработка метода расчета и проектирования стендовой установки
для отработки режимов влажной очистки проточного тракта ГТД / Б.М. Силаев, Е.Н.
Мальцев // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета
имени академика С.П. Королева. – 2011. – №3(27). – Ч.3. – С. 282-285.
5. Силаев, Б.М. Об одной из моделей гидрогазовой эрозии используемой при влажной очистке проточной части ГТД / Б.М. Силаев, Е.Н. Мальцев // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – Самара, 2011. – Т.13. – №
4(3)(Приложение) – С. 310-311.
и других изданиях:
6. Мальцев, Е.Н. Анализ принципиальных конструктивных схем устройств для
влажной очистки газовоздушного тракта авиационных ГТД / Е.Н. Мальцев // Х Королевские чтения: сб. трудов мол. науч. техн. конф. с межд. уч-ем. – Самара, СГАУ,
2009. – Т. 1. – С. 192.
7. Мальцев, Е.Н. Обоснование оптимальной очистки газовоздушного тракта авиационных ГТД на основе анализа существующих способов / Е.Н. Мальцев // Х Королевские чтения: сб. трудов мол. науч. техн. конф. с межд. уч-ем. – Самара, СГАУ,
2009. – Т. 1. – С. 193.
8. Мальцев, Е.Н. Расчетная оптимизация характеристик системы очистки проточной
части ГТД / Е.Н. Мальцев // Актуальные проблемы науки и техники: сб. трудов пятой
всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых ученых. - УФА, 2010.
– Т. 4. – С. 211-212.
9. Мальцев, Е.Н. Некоторые пути повышения экономичности эксплуатации ГТД /
Е.Н. Мальцев // Гражданская авиация:21 век: сб. докладов II межд. мол. науч. конф. –
Ульяновск, УВАУГА, 2010. – № 1. – С. 19-20.
10. Силаев, Б.М. Архитектура концептуальной модели системы влажной очистки
проточной части ГТД / Б.М. Силаев, Е.Н. Мальцев // Авиадвигатели XXI века: материалы III межд. науч.-техн. конф. – Москва, ЦИАМ, 2010. – С. 1264-1267.
11. Силаев, Б.М. К вопросу об оценке параметров системы влажной очистки проточного тракта ГТД / Б.М. Силаев, Е.Н. Мальцев // Газотурбинные технологии: Москва,
2011. – №2. – С. 32-34.
12. Силаев, Б.М. О механизме ухудшения параметров ГТД при эксплуатации в условиях загрязненной атмосферы / Б.М. Силаев, В.П. Крикунов, Е.Н. Мальцев // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: материалы докладов международной
научно-технической конференции – Самара, СГАУ, 2011. – № 1. – С. 262.
13. Силаев, Б.М. О расчетной модели гидрогазовой эрозии пленки загрязнений проточного тракта ГТД / Б.М. Силаев, А.В. Бахвалов, Е.Н. Мальцев // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: материалы докладов международной научнотехнической конференции – Самара, СГАУ, 2011. –№ 2. – С. 120.
14. Мальцев, Е.Н. Совершенствование процесса испытания системы влажной очистки проточного тракта ГТД / Е.Н. Мальцев, Б.М. Силаев, В.А. Клементьев // Международный научно технический форум посвященный 100-летию ОАО «КУЗНЕЦОВ» и
70-летию СГАУ. – Самара, СГАУ, 2012. – С. 255.
19
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа