Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,118

ИССЛЕДОВАНИЕ ОТЛОЖЕНИЙ НА ЛОПАТКАХ КОМПРЕССОРА ВЕРТОЛЕТНОГО ГТД

Головина Н.Я. 1 Кривошеева С.Я. 1
1 Тюменский государственный нефтегазовый университет филиал
В условиях работы на запыленном воздухе происходит загрязнение проточной части двигателя. Это приводит к ухудшению характеристик силовых установок двигателя. В данной работе приводятся результаты исследований массы, плотности, толщины слоя и микроструктуры отложений на лопатках ротора компрессора вертолетного ГТД, имеющего номинальную мощность 883 кВт после отработки 1500 ч. Исследования проводились на десяти лопатках каждой ступени. Лопатки взвешивались до и после очистки, затем рассчитывалась осредненная масса отложений. Результаты исследования показывают, что на последних ступенях компрессора плотность отложений больше, чем на первых. Режим с полным проявлением шероховатости для указанного двигателя реализуется на первых шести ступенях компрессора. Сделан вывод о том, что на характеристики пограничного слоя и значение коэффициента трения на поверхности лопаток наибольшее влияние оказывает среднеарифметический размер высоты неровностей Rz. Полученные данные используются для разработки способов очистки проточной части компрессора.
газотурбинный двигатель (ГТД)
вертолет
лопатка
отложения
1. Белянин Н.М. Влияние шероховатости поверхности лопаток на течение газа в компрессоре // Тр. ЦИАМ. – М., 1985. – Вып. 1128. – С. 138–149.
2. Занун Э.-С. Масштабирование усредненного потока вдоль пограничных слоев на гладкой и шероховатой стенках // Теплофизика и аэромеханика. – 2010. Т. 17, № 1. – С. 23–42.
3. Ломов С.А., Ломов И.С. Основы математической теории пограничного слоя. – Издательство МГУ, 2011. – 455 с.
4. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. – М.: Наука, 1974. – 742 с.
5. Zanoun E.-S., Durst F., Saleh O., Al-Salaymeh A. Wall skin friction and mean velocity profiles of fully developed turbulent pipe flows // Exp. Therm. Fluid Sci. – 2007. – № 32(1). – P. 249–261.

Эксплуатация вертолетов вблизи промышленных предприятий и с грунтовых площадок приводит к значительному ухудшению характеристик их силовых установок вследствие образования шероховатых отложений на лопатках компрессора. Механизм образования отложений представляет собой сложную картину взаимодействия частиц пыли и сажи с турбулентным пограничным слоем на поверхности лопаток [2]. Осаждению способствуют вторичные течения в межлопаточных каналах и повышенная турбулентность потока. Отложения образуются на спинках лопаток и представляют собой слой сажи с мелкодисперсной пылью, который ухудшает качество их поверхности из-за роста шероховатости.

Учет влияния шероховатости на развитие пограничного слоя и расчет потерь в компрессоре с отложениями на лопатках необходимы при решении вопросов диагностирования загрязненных газотурбинных двигателей (ГТД). Кроме того, распределение толщины слоя и плотности отложений по ступеням компрессора должно учитываться при разработке эффективных способов очистки его проточной части [4, 5].

В настоящей работе приводятся результаты исследований массы m, плотности ρ, толщины слоя h и микроструктуры отложений, образующихся на лопатках ротора компрессора вертолетного ГТД, имеющего номинальную мощность 883 кВт после отработки 1500 ч.

На рис. 1 представлено распределение массы отложений на лопатках ротора по ступеням компрессора. Измерения проводились на аналитических весах WA-31 по данным взвешивания десяти лопаток каждой ступени. Лопатки взвешивали до очистки и после нее, затем рассчитывали осредненную массу отложений, отнесенную к площади F поверхности спинки пера. Из рис. 1 видно, что наиболее загрязненными являются первые семь ступеней компрессора. Такой характер зависимости обусловлен наиболее сильным влиянием вторичных течений на первых ступенях, радиальным зазором в рабочих решетках и интенсивным вихреобразованием потока у лопаток регулируемых направляющих аппаратов.

golov1.wmf

Рис. 1. Распределение массы отложений на лопатках ротора по ступеням компрессора

golov2.wmf

Рис. 2. Микроструктура рельефа отложений на лопатках ротора первой ступени (×240)

Исследование микроструктуры рельефа отложений выполнялось на шлифах поперечного разреза пера лопаток каждой ступени. Анализировались фотографии, полученные на микроскопе МИМ-8 при 240-кратном увеличении. На рис. 2 показана характерная форма рельефа отложений, образующихся на спинке профиля пера лопатки первой ступени ротора.

Отложения представлены в виде темного слоя между эпоксидным клеем, применявшимся при изготовлении шлифов, и поверхностью лопатки. Видно, что отложения имеют развитую шероховатую поверхность со сложной конфигурацией выступов и впадин. Обработка экспериментальных данных позволяет получить осредненную величину толщины слоя отложений h для каждой ступени, по которой рассчитывается их плотность. Результаты измерений и расчетные параметры приведены в таблице.

Анализ изменения плотности отложений по ступеням компрессора позволяет сделать вывод, что на последних ступенях плотность больше, чем на первых. Увеличение плотности происходит под действием повышенных давления и температуры газа, а также под влиянием активной турбулентной диффузии.

Статистическое описание параметров шероховатости позволяет определить для каждой ступени среднеарифметический размер высоты неровностей Rz (таблица), характеризующийся разностью средних величин пяти наибольших выступов и наибольших впадин на определенной базе.

Шероховатость поверхности вносит существенный вклад в формирование пограничного слоя, который при определенных условиях может реализоваться в квазигладкое течение или режим с полным проявлением шероховатости [1]. Шероховатость не проявляется до тех пор, пока выступы элементов шероховатости утоплены в вязком ламинарном подслое. Это происходит до достижения некоторого критического числа Рейнольдса Reкр = 100, вычисленного по величине эквивалентной шероховатости принят параметр Rz. Используя данные о газодинамических параметрах потока и геометрических размерах лопаток вертолетного ГТД, можно рассчитывать для каждой ступени допускаемые значения Rzm, при которых проявление шероховатости отсутствует (таблицa).

Сравнение полученных величин Rz с расчетным Rzm показывает, что режим с полным проявлением шероховатости для двигателя, имеющего 1500 ч, реализуется на первых шести ступенях компрессора. На этом режиме пульсационное движение в пограничном слое посредством кажущихся напряжений извлекает часть энергии из потенциального потока. Затем эта энергия за счет турбулентной диссипации преобразуется в тепло. Коэффициент трения на шероховатой поверхности при таком режиме течения в несколько раз больше, чем на гидравлически гладкой.

Параметр

Номер ступени

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

m∙10-3, г

13,6

12,1

10,1

8,30

7,60

6,00

3,50

2,40

2,00

1,60

F, см2

22,0

16,3

11,6

8,70

7,20

6,00

4,80

4,50

4,10

3,50

h, мкм

53,0

42,0

32,5

24,5

18,0

12,5

7,60

4,80

4,00

3,40

gol01.wmf, г/см2

0,62

0,74

0,87

0,95

1,05

1,00

0,73

0,53

0,49

0,46

ρ, г/см3

0,12

0,18

0,27

0,38

0,58

0,80

0,96

1,10

1,23

1,33

Rz, мкм

35,0

22,0

15,1

10,4

7,10

4,80

3,20

2,20

1,60

1,30

Rzm, мкм

6,0

4,7

4,2

3,9

3,7

3,5

3,3

3,1

2,9

2,7

Sz, мкм

110

76

59

48

40

33

28

25

23

22

N

3,1

3,5

3,9

4,6

5,6

6,9

8,7

11,2

14,4

16,9

Величина коэффициента трения и характеристики пограничного слоя на шероховатой поверхности, кроме того, зависят от продольного расстояния между вершинами элементов шероховатости и распределения ее по поверхности. В таблице представлены данные о параметре распределения элементов шероховатости N по поверхности. Этот параметр характеризуется отношением среднеарифметического расстояния между вершинами неровностей Sz к величине Rz.

В работе [3] экспериментальным путем получены значения параметра N, при которых возникают различные режимы и структуры течения. Например, при N ≤ 7 сопротивление поверхности практически постоянно, так как за элементами шероховатости образуются небольшие вращающиеся вихри, которые остаются между ними и не оказывают влияния на течение газа вдали от стенки. Увеличение параметра N > 7 приводит к интенсивному росту амплитуды скорости и изменению структуры течения за счет отрыва крупных вихрей и их проникновения в основной поток. Сопротивление такой поверхности увеличивается в 2–2,5 раза. При N > 16 происходит постепенное снижение сопротивления поверхности вследствие повторного присоединения потока.

Из таблицы видно, что значения параметра N > 7 имеют место на четырех последних ступенях. Однако здесь по параметру Rz режим течения соответствует гидравлически гладкому. Значит, структура турбулентного течения вблизи таких элементов шероховатости соответствует режиму без взаимодействия аэродинамических следов и не зависит от параметра N на всех ступенях компрессора.

Таким образом, исследование микроструктуры рельефа отложений, образующихся на лопатках ротора компрессора вертолетного ГТД после отработки 1500 ч, показывает, что при расчете влияния шероховатости на характеристики пограничного слоя и при оценке коэффициента трения на поверхности лопаток необходимо учитывать параметр Rz, а влиянием параметра N можно пренебречь. Полученные данные о распределении плотности и массы отложений по ступеням компрессора позволяют разработать эффективные способы очистки проточной части компрессора.

Рецензенты:

Бахарев М.С., д.т.н., профессор, профессор кафедры «Нефтегазовое дело», Тюменский государственный нефтегазовый университет, филиал в городе Сургуте, г. Сургут;

Федоров В.Н., д.т.н., профессор, начальник отдела гидродинамических скважин, ООО «БашНИПИнефть», г. Уфа.


Библиографическая ссылка

Головина Н.Я., Кривошеева С.Я. ИССЛЕДОВАНИЕ ОТЛОЖЕНИЙ НА ЛОПАТКАХ КОМПРЕССОРА ВЕРТОЛЕТНОГО ГТД // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 7-1. – С. 76-78;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=38728 (дата обращения: 21.11.2018).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252