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.
Рис. 1. Распределение массы отложений на лопатках ротора по ступеням компрессора
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 |
|
|
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 |
, г/см2
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.