автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Конструкторско-технологическое обеспечение минимальных радиальных зазоров в лопаточных машинах на основных стадиях жизненного цикла ГТД

На правах рукописи

005043891

Гашен Михаил Анатольевич

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МИНИМАЛЬНЫХ РАДИАЛЬНЫХ ЗАЗОРОВ В ЛОПАТОЧНЫХ МАШИНАХ НА ОСНОВНЫХ СТАДИЯХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ГТД

Специальность 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 МАЙ 2012

Рыбинск-2012

005043891

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева» на кафедре «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения».

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Безъязычный Вячеслав Феоктистович.

Официальные оппоненты:

Непомилуев Валерий Васильевич, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева», профессор кафедры «Организация производства и управление качеством»;

Мухина Светлана Дмитриевна, кандидат технических наук, открытое акционерное общество «Научно-производственное объединение «Сатурн», ведущий инженер-конструктор конструкторского отдела турбин.

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г. Пермь.

Защита диссертации состоится 29 мая 2012 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева» по адресу: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53, ауд. Г-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева».

Автореферат разослан 27 апреля 2012 года.

Ученый секретарь /¿г

диссертационного совета Конюхов Борис Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Газотурбинные двигатели (ГТД) являются наиболее эффективными в своём классе машинами с точки зрения термодинамического цикла. Высокая удельная тяга (мощность) и экономичность обуславливают их лидерство в области военной и гражданской авиации. Кроме того, в последние годы они получают всё более широкое распространение в качестве двигателей наземного и морского транспорта, приводов газоперекачивающих агрегатов и электростанций.

Тем не менее, как и любая машина, газотурбинный двигатель обладает определёнными конструктивными недостатками. Одним из таких недостатков является наличие в проточной части лопаточных машин (компрессоров и турбин), входящих в конструкцию двигателя, радиальных зазоров между деталями ротора и статора. Наличие этих зазоров приводит к образованию утечек рабочего тела и потерь энергии, которые, в свою очередь, негативно и весьма существенно влияют на такие важные характеристики двигателя, как удельная тяга, удельный расход топлива, газодинамическая устойчивость, экологичность и уровень шума. Конкуренция на рынке газотурбинной техники вызывает необходимость непрерывного повышения характеристик как эксплуатируемых, так и новых образцов двигателей. Уменьшение радиальных зазоров является одним из наименее затратных путей решения этой задачи. Однако, как показывает практика, чрезмерное уменьшение зазоров может в конечном итоге вызвать контакт ротора и статора, что чревато возникновением аварийной ситуации.

В силу указанных обстоятельств, диссертационная работа посвящена созданию комплекса методов и средств обеспечения минимально допустимых радиальных зазоров, обеспечивающих наиболее высокие характеристики ГТД.

Цель работы - расчётное определение и технологическое обеспечение минимальных радиальных зазоров в конструкциях компрессоров и турбин на стадиях проектирования, производства и эксплуатации газотурбинных двигателей.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Анализ существующих способов расчёта, выбора и обеспечения минимальных радиальных зазоров, определение их возможностей и недостатков.

2. Разработка математической модели и методики, позволяющей на этапе проектирования двигателя исследовать динамику изменения радиальных зазоров с учётом тепловых и силовых деформаций конструкции лопаточных машин.

3. Разработка технологических и организационных решений, направленных на повышение точности выполнения радиальных зазоров при сборке двигателя.

4. Разработка математической модели и методики для оценки эксплуатационных изменений радиальных зазоров с учётом процессов износа и ползучести материалов, разработка решений по сохранению минимальных значений радиальных зазоров в процессе эксплуатации двигателя.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель и методика для проектного исследования динамики изменения радиального зазора в рабочем (полётном) цикле двигателя с учётом тепловых и силовых деформаций конструкции лопаточных машин.

2. Способы сборки лопаточных машин, позволяющие повысить точность выполнения радиальных зазоров путём технологической компенсации и пригонки.

3. Математическая модель и методика для оценки эксплуатационных изменений радиального зазора под действием процессов износа и ползучести.

Общая методика исследований

Работа основана на теоретических методах исследования. При разработке математических моделей использовались известные закономерности в области теплообмена, теоретической механики и сопротивления материалов, теории упругости и пластичности, теории фреттинг-процессов. Предложенные способы сборки подчиняются современным теориям размерных взаимосвязей.

Научная новизна

Разработана математическая модель для проектного исследования динамики изменения радиальных зазоров в рамках рабочего (полётного) цикла двигателя с учётом воздействия на детали лопаточных машин температурных и силовых факторов. Модель отличается от аналогичных существующих решений меньшей погрешностью расчётов благодаря учёту неравномерности температурных полей и деформаций замковых соединений, а также возможностью её применения для расчёта как турбин, так и компрессоров.

Существующие теории фретганг-износа, низко- и высокотемпературной ползучести материалов интерпретированы в виде математической модели, предназначенной для проектной оцёнки изменений радиальных зазоров в конструкциях лопаточных машин в процессе эксплуатации двигателя.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Предложенные методики исследования динамики изменения радиальных зазоров в рабочем (полётном) цикле и в процессе эксплуатации двигателя позволяют с приемлемой для проекгаых расчётов степенью точности определял, минимально допустимую величину радиального зазора в ступенях лопаточных машин по условию отсутствия контакта элементов ротора и статора двигателя на наиболее опасных рабочих режимах в рамках заданного межремонтного ресурса.

Предложенные способы сборки позволяют посредством технологической компенсации и пригонки сократить до минимального уровня погрешности выполнения расчётных минимальных значений радиальных зазоров в рамках отдельных ступеней компрессоров и турбин, а также ограничить возможность накопления погрешностей при сборке многоступенчатых конструкций, тем самым сокращая разброс характеристик двигателей в рамках производственной партии, возникающий по технологическим причинам.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: международная молодёжная научная конференция «XXXVI Гагаринские чтения», г. Москва, РГТУ «МАТИ», 6-10 апреля 2010 г.; международный молодёжный форум «Будущее авиации за молодой Россией», г. Москва, ВВЦ, 16 апреля 2010 г.; «64 региональная научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов», г. Ярославль, ЯГТУ, 20 апреля 2011 г.; международном научно-техническом семинаре «Современные технологии сборки», г. Москва, МГТУ «МАМИ», 20-21 октября 2011.

Проект, выполненный по результатам работы, был отмечен медалью «За успехи в научно-техническом творчестве» всероссийской выставки научно-технического творчества молодёжи «ШТМ-2011», г. Москва, ВВЦ 28 июня-1 июля 2011 г.

Актором диссертации выполнялись научно-исследовательские работы в рамках Федеральной целевой программы Министерства образования и науки РФ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных для печати ВАК Российской Федерации, получен 1 патент на полезную модель и 1 положительное решение о выдаче патента.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пята глав, общих выводов по работе и списка использованных источников. Объем работы - 155 страниц машинописного текста, включающего 80 рисунков, 6 таблиц, 92 формулы, список использованных источников из 135 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, решаемой в диссертационной работе, выделены ключевые направления исследований.

В первой главе проведён анализ данных литературных источников и производственного опыта в области обеспечения минимальных радиальных зазоров, сокращения утечек и потерь энергии в радиальных зазорах. Рассматриваемая проблема в той или иной степени исследовалась во всех российских научных школах авиационного двигателестроения. Проблеме радиальных зазоров в конструкциях лопаточных машин посвящён ряд работ Б.С. Стечкина, Ю.С. Подобуева, М.И. Жуковского, Г.Ю. Степанова, MJE. Дейча, С.З. Копелева, В.Х. Абианца, КВ. Холщевникова, В.И. Локая, П.К. Казанджана, Н.Д. Кузнецова, П.А. Соловьева, В.А. Лотарева, О.Н. Фаворского и других учёных и инженеров. За рубежом вопросами теории лопаточных машин и, в частности, проблемой радиальных зазоров занимались К. Пфлейдерер, У.Р. Хауторн, Дж. X. Хорлокк, Дж. Гостеллоу, а также многие другие исследователи.

Основными направлениями научных изысканий в рассматриваемой области являются исследование и моделирование течений в радиальных зазорах, а также анализ влияния этих течений на основные характеристики ГТД. При всей значимости исследований подобного рода, их результаты позволяют решить лишь обратную задачу проектирования: исходя из известных величин радиальных зазоров спрогнозировать возможные характеристики двигателя.

Решению прямой задачи (расчётному определению минимально допустимых величин радиальных зазоров, обеспечивающих наиболее высокие характеристики двигателя) посвящены труды Н.Д. Кузнецова, Е.А. Гриценко, В.П. Данильченко, В.П. Почуева, В.В. Бутонова, В.В. Исаева, А.С. Ласкина, Ю.Г. Калинкиной, Х.А. Кипороса. Предложенные перечисленными авторами методы расчёта в большинстве своём применимы только при наличии опытного образца двигателя (на этапе доводки или модернизации). Математические модели, применимые при проектировании двигателя, являются слишком упрощёнными, что в конечном итоге выражается в существенной погрешности расчётов. Кроме того, существующие математические модели предназначены преимущественно для расчёта турбин, в то время как проблема радиальных зазоров в конструкциях компрессоров является не менее актуальной.

Таким образом, в настоящее время существует необходимость в создании математической модели, позволяющей исследовать динамику изменения радиальных зазоров в конструкциях компрессоров и турбин с возможно большей точностью за счёт учёта всего массива данных, доступных при проектировании.

Вторая глава работы посвящена разработке математической модели для исследования динамики изменения радиальных зазоров в рамках рабочего (полётного) цикла двигателя. Автором диссертации предложены обобщённая расчётная схема ступени лопаточной машины (рис. 1) и уравнения динамики (1) и (2), определяющие величины радиальных зазоров в рабочем колесе и направляющем (сопловом) аппарате в зависимости от тепловых и силовых деформаций отдельных элементов лопаточной машины в конкретный момент времени.

5Д0=гк+МО - /рл - ДЦО - гр - Агр(1) - 4(0, (1) 5„а(0 = г, + Аг- /сл - &Ш - гр - Дгр(0, (2)

где МО-радиальная деформация корпуса, м; А/Рл(0 ~ радиальная деформация рабочей лопатки, м; А1С„(() - радиальная деформация лопатки статора, м; Дгр(0 - радиальная деформация ротора, м; Д3(г) - деформация замкового соед инения, м.

к!

"-л £ \ '—11 1

.______^

Рис. 1. Обобщённая расчётная схема ступени лопаточной машины

Дня определения деформаций отдельных элементов конструкции были проанализированы и уточнены известные зависимости из области механики и теплопередачи, а также ряд специализированных расчётных зависимостей, предложенных учёными и инженерами непосредственно для расчёта конструкций ГТД. Окончательная математическая модель включила в себя следующие зависимости.

Тепловая деформация корпуса

Дг1=а-гх-Т, (3)

где а - коэффициент теплового расширения материала корпуса, 1/°С;

гк - радиус корпуса, м;

Г - температура корпуса, °С.

Силовая деформация корпуса под действием разницы давлений

АР-г.2

Е-И

(4)

где АР - разность давлений, воздействующая на корпус, Па; гк - радиус корпуса, м;

Е - модуль упругости материала корпуса, Па;

И — толщина корпуса, м.

Тепловая деформация корпуса с покрытием

Дг1 = Агт = а • г ■

1

г,2-г2

2-1п

V

г

\'с ) )

•(Ть-Тс)

(5)

. [(1 - ц). ,с • (/>в„ • г/ + Ртр • - (1 + ц) ■ • - О], (6)

где га, п, гс - внутренний радиус корпуса, радиус раздела покрытия и металла и внешний радиус корпуса соответственно, м; Ть, Тс - температуры покрытия и металла соответственно, °С.

Силовая деформация корпуса с покрытием

где Е - модуль упругости материала корпуса, Па; р. - коэффициент Пуассона материала корпуса;

Рвн, Рнар - внутреннее и наружное давление, действующее на корпус, Па.

Автором диссертации предложено определять тепловую деформацию лопатки с приближённым учётом неравномерного распределения температуры по длине лопатки (с выделением трёх характерных участков) по формуле

д/>«-/„-<г-40>' (7)

где а - коэффициент теплового расширения материала лопатки, 1/°С; /рл - длина лопатки, м;

Т - температура лопатки на среднем радиусе, °С.

Силовая деформация лопатой может быть определена по известной зависимости ДГ =р-/"л"(/р (8)

Р я]7

где р - плотность материала лопатки, кг/м3;

/рл - длина рабочей лопатки, м;

гр - наружный радиус ротора, м;

со - окружная скорость вращения ротора, рад/с;

Е - модуль упругости материала лопатки, Па.

Автором диссертации предложено определять тепловую деформацию ротора с приближённым учётом неравномерного распределения температуры в диске (по закону квадратичной параболы, с учётом теплоотдачи от рабочей лопатки), по температуре на среднем радиусе диска

Д грт»атр-(Г„-175), (9)

где а - коэффициент теплового расширения материала ротора, 1 /°С;

гр - наружный радиус ротора, м;

Грл - температура ножки лопатки, °С.

Силовая деформация ротора

Агрс=|-К-Ц-аг), (10)

где гр - наружный радиус ротора, м;

Е - модуль упругости материала ротора, Па;

а0 - окружные напряжения на расчётном радиусе, Па;

[X - коэффициент Пуассона материала ротора;

аг - радиальные напряжения на расчётном радиусе, Па.

Модель включает зависимости для определения окружных и радиальных напряжений в материале ротора как дисковой, так и барабанной конструкции, наиболее характерной для современных осевых компрессоров.

Основным элементом новизны в предложенной автором диссертации математической модели является учёт деформаций замковых соединений рабочих лопаток с ротором, которые по неизвестным причинам не учитываются большинством исследователей. Очевидно, что на величину радиального зазора со стороны замкового соединения оказывают влияние следующие факторы:

1. Зазор в замковых соединениях. При раскрутке ротора имеющийся в соединении зазор "выбирается", при этом радиальный зазор уменьшается.

2. Упругие деформации соединений. Замковые соединения проекгаруклся с запасом прочности, однако они представляют собой маложёсткую конструкцию.

3. Контактные деформации соединений. Значительные центробежные силы, распределённые на малой площади соединения, вызывают существенные контактные деформации, которые требуют обязательного учёта.

Действие указанных факторов было проанализировано дня трапециевидного, ёлочного, кольцевого и шарнирного соединения. Для определения влияния конструктивного зазора на радиальное смещение лопатки выбрана известная зависимость

Д„=0,5-5-1ёр.со5у, (11)

где 8 - конструктивный зазор, мм;

Р - угол при вершине трапеции, градус;

у - угол наклона паза в осевом направлении, градус.

Формула (11) актуальна для трапециевидного и ёлочного соединений. В кольцевом и шарнирном соединениях смещение будет равным конструктивному зазору.

Для оценки упругих деформаций замковых соединений, их конструкции были рассмотрены как совокупность консольных балок, нагруженных сосредоточенными силами. Радиальное смещение лопатки определялось упругим перемещением в условной точке приложения силы (в середине линии контакта), которое, в свою очередь, может быть определено по интерпретированной автором диссертации зависимости из теории упругих стержней

Р-13

Д =——-•, (12)

4-Е-Ъ-%,

где Р - центробежная сила от массы лопатки, Н;

I - длина зубца, м;

Е - модуль упругости материала, Па;

Ъ — ширина замка, м;

йср - средняя толщина зубца, м.

Параметры I и Ъ^ определяются непосредственно по рабочему чертежу соединения, либо могут быть получены путём простых геометрических преобразований.

Контакгаая деформация может быть определена по формуле Н.Б. Демкина, интерпретированной автором диссертации с учётом специфики замковых соединений

Д„=10003)

н ^

где е = еИ50 мм - масштабный коэффициент соединения;

с!- наибольший размер поверхности контакта, мм;

Яа - среднее арифметическое отклонение профиля поверхностей, мкм;

Н- твёрдость наиболее мягкой поверхности, Па;

Ея - модуль упругости материала, имеющего меньшую твёрдость, Па;

а - контактное напряжение, Па;

Е - приведённый модуль упругости, Па.

Деформация замкового соединения рабочей лопатки с диском в произвольный момент времени представляет собой сумму перечисленных компонентов

Д, = Дз, + Д,У + л51[. О4)

В третьей главе предложена методика исследования динамики изменения радиальных зазоров. На основе анализа экспериментальных данных, опубликованных в открытой печати, была сформирована обобщённая диаграмма динамики изменения радиального зазора в ступени лопаточной машины с учётом всех возможных в рабочего (полётного) цикла двигателя процессов и ситуац ий (рис. 2).

Рис.2. Обобщённая диаграмма динамики изменения радиального зазора

Как показывает практика, для авиационного газотурбинного двигателя наиболее опасным рабочим режимом, определяющим диапазон изменения радиальных зазоров в полётном цикле, является режим встречной приёмистости (точка 9*). Для наземных энергетических установок такой режим работы нехарактерен, поэтому расчёт диапазона изменения радиальных зазоров должен выполняться для режима запуска (точка 5) или останова двигателя (точка 9).

Для проверки адекватности разработанной математической модели и методики был выполнен проверочный расчёт, результаты которого сопоставлены с опубликованными в открытой печати данными замеров динамики изменения радиального зазора в ступени турбины высокого давления двигателя CF6-50 компании General Electric, выполненных в NASA (США). Исходными данными для расчёта выступили основные размеры конструкции, параметры двигателя на расчётном режиме (встречная приёмистость), свойства конструкционных материалов (Inconel 718, Rene 80) и данные термометрирования двигателя, опубликованные NASA. Расчётный диапазон изменения радиального зазора в полётном цикле составил Драсч = 1,05 мм. Замеренный диапазон изменения составил ДщМ = 1,3 мм. Таким образом, относительная погрешность расчёта при помощи авторской математической модели равна

= Д.дм - Др„с,. 1QOo/o = jjzMl. юо%=19%. (15)

Д U

г^ИЗМ 7

Это позволяет охарактеризовать предложенную математическую модель и методику расчёта как адекватную и подходящую для проектного расчёта минимально допустимых величин радиальных зазоров.

и

Четвертая глава работы посвящена разработке технологических и организационных решений по повышению точности выполнения радиальных зазоров при производстве (сборке) газотурбинных двигателей.

С точки зрения технологии сборки, радиальный зазор является замыкающим звеном сборочной размерной цепи, погрешность которого определяется суммой погрешностей составляющих звеньев. Основные погрешности при выполнении радиальных зазоров в рамках отдельной ступени лопаточной машины вызваны эксцентриситетом между осями ротора и статора и разбросом размеров по вершинам лопаточных венцов (рис. 3).

где е - эксцентриситет между осями статора (А) и ротора (Б);

Гтах■ ■ ■Гтт - колебание величины радиуса ротора (по вершинам лопаток);

Ктах.. ,Яшп - колебание величины радиуса статора (по вершинам лопаток);

Ьтах - верхнее отклонение величины радиального зазора;

ЪтШ - верхнее отклонение величины радиального зазора.

Теоретически, указанные погрешности могут быть минимизированы путём ужесточения допусков на отдельные детали, однако детали современных лопаточных машин выполняются с предельно высокой экономической точностью, соответствующей 6-7 квалитету. Таким образом, единственно возможным способом повышения точности радиальных зазоров является управление процессом сборки.

Дня сокращения эксцентриситетов между осями деталей ротора и статора автором работы предложен способ технологической компенсации с оптимизацией углового положения деталей. Сущность способа заключается в том, чтобы расположить детали ротора и статора в таком относительном угловом положении, чтобы погрешности расположения базовых поверхностей, суммируясь, максимально уменьшали или полностью исключали эксцентриситеты рабочих поверхностей, непосредственно влияющих на радиальные зазоры.

Критерий оптимизации положения при соединении двух деталей (рис. 4)

был сформулирован в виде общего геометрического выражения

(16)

где е^ - эксцентриситет рабочей поверхности детали 2;

- эксцентриситет установочной поверхности детали 1; еа - эксцентриситет базовой ; поверхности детали 2; N - некомпенсированный вектор Рис. 4. Соединение двух деталей ротора эксцентриситета.

Были проанализированы типовые конструкции деталей ротора и статора, возможные варианты пространственного расположения и взаимного соотношения величин эксцентриситетов. Для каждого из возможных вариантов предложена зависимость для выбора оптимального взаимного положения соединяемых деталей. Алгоритм оптимизации углового положеиш показан на рис. 5.

[ д^ь^ГТ-"] I______Д-™--2-______1

Измерение отклонений"] | Оптимизация углового ] | Измерение отклонений"]

Результаты измерений

£у|

Результаты измерений

ва .въвуг

Рис. 5. Фрагмент алгоритма оптимизации углового положения деталей

Предложенный алгоритм сборки с взаимной компенсацией отклонений позволяет сократить до минимального уровня погрешности выполнения радиальных зазоров в рамках ступени лопаточной машины и, что наиболее значимо, ограничить возможность накопления погрешностей при сборке многоступенчатых конструкций роторов и статоров, характерных для компрессоров.

В пятой главе выполнен анализ опыта эксплуатации ГТД, который показал, что в процессе эксплуатации радиальные зазоры в компрессорах и турбинах увеличиваются, что выражается в виде износа истираемых покрытий в компрессоре и сотовых вставок на корпусных деталях турбины. При более глубоком рассмотрении этого вопроса становится очевидным, что износ элементов корпуса является не причиной, а следствием уменьшения радиальных зазоров в результате фретгинг-износа замковых соединений и ползучести материалов деталей ротора. Таким образом, для уменьшения износа элементов корпуса и сохранения характеристик двигателей в эксплуатации необходимо на этапе проектирования определить диапазон эксплуатационных изменений радиального зазора в рамках межремонтного ресурса и заложить расчётную величину изменений в монтажный радиальный зазор, выполняемый при сборке двигателя.

Для расчёта величины линейного износа замковых соединений в результате фретганга автором диссертации был предложен ряд зависимостей. Для трапециевидной и ёлочной конструкции замковых соединений величина линейного износа может быть определена по формуле

-7-Г---' (17)

2-п-А-В- эту-соБа

где IV - объём материала, удалённого с контактирующих поверхностей, м3;

п - число пар зубцов в соединении (для трапециевидного замка п - 1);

А - ширина площадки износа, м;

В - длина соединения (в осевом направлении), м;

у - угол наклона паза к оси, градус;

а - угол при вершине трапеции, градус.

Аналогично, для кольцевого замкового соединения

(18)

" г-а-в

где IV - объём материала, удалённого с контактирующих поверхностей, м3;

А, В — длина и ширина площадок износа, м.

Для шарнирного замкового соединения расчётная зависимость будет иметь вид

А = ]¥ . 09)

" л-В-И-п

где IV- объём материала, удалённого с контактирующих поверхностей, м3;

О - диаметр шарнира (штифта), м;

Н- ширина проушин замка, м;

п - общее число проушин.

Объём материала, удалённого с контактирующих поверхностей, может быть определён по известной зависимости, предложенной X. Улитом

где И'ирр - потеря объёма материала в результате коррозии, м3;

1¥мех- потеря объёма материала в результате механических повреждений, м3; Р - нормальная нагрузка, Н; N - число циклов нагружения; /- частота нагружения, Гц; / - амплитуда колебаний, м;

к0, к,, к2 - постоянные, зависящие от механических свойств материалов.

Оценка ползучести материала лопатки в первом приближении может быть выполнена по первичным кривым ползучести (справочным экспериментальным данным). Для диска, находящегося в плоском напряжённом состоянии, изменение размеров в результате ползучести может быть определено как

. п-Л

-о,-<Ут+о2г) 2 ■(2-а1~аг)-П г, (21)

где а, - окружное напряжение на расчётном радиусе, Па; аг - радиальное напряжение на расчётном радиусе, Па; п - постоянная (рекомендованное значение п = 3);

- величина деформации по первичной кривой ползучести, м; г - расчётный радиус диска, м.

Расчёт эксплуатационных изменений радиальных зазоров целесообразно выполнять для обобщённого рабочего (полётного) цикла путём суммирования износа и ползучести материалов, накопленных на различных режимах при определённых нагрузках в течение заданного периода времени (межремонтного ресурса).

Общая схема минимизации радиальных зазоров с использованием предложенных автором диссертации решений представлена на рис. 6.

. . 1

Математическая модель для Диапазон изменения

оценки динамики радиального радиального зазора

зазора в рабочем (полётном) в рабочем

цикле двигателя (полётном) цикле

1

Математическая модель для Диапазон изменения

расчёта изменений зазора в рамках

радиального зазора -Ь межремонтного

в эксплуатации ресурса

Управление процессом сборки

'уд.гтнп

Рис. 6. Общая схема минимизации радиальных зазоров

14 V

5гшп+ Т(5)ге

ж/

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основании анализа литературных данных показано, что проблема радиальных зазоров актуальна для газотурбинных двигателей по причине значительного влияния зазоров на удельную тяту (мощность), удельный расход топлива, газодинамическую устойчивость, экологичность и уровень нгума двигателя.

2. Разработанная автором диссертации математическая модель для исследования динамики изменения радиального зазора на этапе проектирования двигателя отличается от ранее созданных моделей меньшей погрешностью расчётов (< 20%) за счёт приближённого учёта неравномерного теплового состояния и деформаций замковых соединений лопаток с ротором, а также возможностью применения математической модели для расчёта как турбин, так и компрессоров.

3. Предложенная математическая модель для оценки эксплуатационных изменений радиальных зазоров учитывает влияние на величину зазора процессов фретганг-износа замковых соединений и ползучести материалов ротора, позволяя определить уменьшение зазора в рамках межремонтного ресурса и заложить расчётный диапазон эксплуатационных изменений в монтажную величину радиального зазора, выполняемую при сборке двигателя.

4. Предложенные методики минимизации радиальных зазоров позволяют с приемлемой для проектных расчётов точностью определять минимально допустимые величины радиальных зазоров в конструкциях лопаточных машин. При изготовлении опытной партии, по результатам проведения лётных испытаний и доводки выбранные значения зазоров мотут быть откорректированы.

5. Предложенный алгоритм сборки, основанный на взаимной компенсации погрешностей деталей, позволяет уменьшить погрешности радиальных зазоров в рамках отдельных ступеней лопаточных машин и ограничить накопление погрешностей при сборке многоступенчатых конструкций роторов и статоров.

Основные положения диссертации отражены в 16 опубликованных работах, среди них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1 Гагоен МА. Универсальная модель для анализа динамики радиальных зазоров в лопаточных машинах ГТД [Текст] / М.А. Ганзен // Полёт. - 2011. - №3. - С. 53-60.

2 Безъязычный В.Ф. Расчётное определение деформации замковых соединений рабочих лопаток с дисками турбомашин [Текст] / В.Ф. Безъязычный, М. А. Гагоен // Справочник. Инженерный журнал. - 2011. - №4. - С. 18-22.

3 Безъязычный В.Ф. Разработка технологии компенсирующей сборки лопаточных машин ГТД с целью обеспечения и повышения точности выполнения радиальных зазоров [Текст] / В.Ф. Безъязычный, М.А. Ганзен // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, 2011. - № 4/2. - С. 27-32.

4 Безъязычный В.Ф. Повышение точности выполнения радиальных зазоров при сборке лопаточных машин ГТД [Текст] / В.Ф. Безъязычный, М.А. Ганзен // Полёт. - 2011. - № 11. - С. 24-33.

В других изданиях:

5 Ганзен М.А. Повышение характеристик авиационных газотурбинных двигателей путём обеспечения оптимальных радиальных зазоров в конструкциях лопаточных машин [Текст] / М.А. Ганзен // XXXVI Гагаринские чтения. Научные труды Международной молодёжной конференции в 8 томах. - М.: МАТИ, 2010. -Т.2., С. 144-146.

6 Ганзен М.А. Исследование проблемы обеспечения оптимальных радиальных зазоров в конструкциях турбомашин ГТД в технологическом аспекте [Текст] / М.А. Ганзен // Шестьдесят четвёртая региональная научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов вузов с международным участием. -4.1 : тез. докл. - Ярославль: изд. ЖГУ, 2011. - С. 185.

7 Гашен М.А. Разработка универсальной модели для анализа динамики радиальных зазоров в ступенях лопаточных машин газотурбинных двигателей [Текст] / MA. Ганзен // НМТ-2010. Материалы Всерос. научно-техн. конф. Москва, 16-18 ноября2010 г. В 3 томах. Т2. -М: Издательский центр МАТИ, 2010. -С. 46-47.

8 Ганзен М.А. Активное управление процессом сборки турбомашин газотурбинных двигателей с целью повышения точности выполнения радиальных зазоров [Текст] / М.А. Ганзен // Материалы международного научно-технического семинара «Современные технологии сборки». Москва, МАМИ, 2011. - С. 58-65.

Получены патенты:

9 Патент РФ на полезную модель № 108483 МПК F01D11/00 Устройство управления радиальным зазором в турбомашине на основе пакета тарельчатых пружин [Текст] / Ганзен Михаил Анатольевич; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени ПА Соловьёва». - № 2011114297, заявлено 12.04.2011, опубликовано 20.09.2011.

10 Заявка № 2011142055/06 РФ на полезную модель Устройство управления радиальным зазором в турбомашине, основанное на эффекте памяти формы / Ганзен Михаил Анатольевич; заявитель ФГБОУ ВПО «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П. А. Соловьёва», -заявлено 17.10.2011 (решение о выдаче патента от 5.03.2012).

Зав. РИО М. А. Салкова Подписано в печать 27.04.2012 г. Формат 60x84 1/16. Уч.-издл. 1. Тираж 100. Заказ 100.

Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева (РГАТУ имени П. А. Соловьева) 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Отпечатано в множительной лаборатории РГАТУ имени П. А. Соловьева 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

61 12-5/3315

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева

На правах рукописи

ГАНЗЕН МИХАИЛ АНАТОЛЬЕВИЧ

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МИНИМАЛЬНЫХ РАДИАЛЬНЫХ ЗАЗОРОВ В ЛОПАТОЧНЫХ МАШИНАХ НА ОСНОВНЫХ СТАДИЯХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ГТД

Специальность: 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель заслуженный деятель науки и техники РФ доктор технических наук, профессор В.Ф. Безъязычный

Рыбинск - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................5

ГЛАВА 1. ТЕКУЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ................................................7

1.1 Анализ актуальности проблемы..................................................................7

1.2 Анализ проведенных научных исследований и

производственного опыта....................................................................................10

1.3 Существующие подходы к решению проблемы......................................14

1.3.1 Выбор зазоров на основании инженерного опыта...............................14

1.3.2 Выбор зазоров по результатам испытаний............................................16

1.3.3 Конструктивное совершенствование проточной части лопаточных машин............................................................................................17

1.3.4 Уплотнения радиальных зазоров............................................................19

1.3.5 Системы управления радиальными зазорами.......................................25

1.3.6 Преимущества и недостатки существующих методов.........................32

1.4 Научный подход к решению проблемы....................................................33

1.4.1 Методики расчетного определения величин радиальных зазоров.....34

1.4.2 Преимущества и недостатки существующих методик........................41

1.4.3 Требования к разрабатываемой методике.............................................42

1.5 Выводы по главе 1.......................................................................................43

1.6 Цель и задачи исследования.......................................................................44

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ РАДИАЛЬНОГО..........................45

ЗАЗОРА В ЦИКЛЕ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ.........................................................45

2.1 Обобщённая расчётная схема и уравнения динамики радиального зазора.... 45

2.2 Определение компонентов уравнений..........................................................47

2.2.1 Деформация корпуса лопаточной машины...........................................47

2.2.2 Деформация рабочих лопаток и лопаток статора.................................49

2.2.3 Деформация ротора лопаточной машины.............................................52

2.2.4 Деформации замковых соединений............ ...........................................56

2.3 Выводы по главе 2...........................................................................................64

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТНОГО

ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИНИМАЛЬНОЙ ВЕЛИЧИНЫ РАДИАЛЬНОГО ЗАЗОРА.... 65

3.1 Общее описание методики.............................................................................65

3.2 Алгоритм расчёта...................................... .......................................................69

3.3 Исходные данные для расчёта.......................................................................70

3.4 Расчёт динамики радиального зазора...........................................................72

3.5 Проверка адекватности модели и методики.................................................72

3.6 Минимизация радиальных зазоров на крейсерском режиме.....................80

3.7 Выводы по главе 3...........................................................................................84

ГЛАВА 4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ВЫПОЛНЕНИЯ.................................85

РАДИАЛЬНЫХ ЗАЗОРОВ ПРИ СБОРКЕ ДВИГАТЕЛЯ....................................85

4.1 Типовые технологические процессы сборки лопаточных машин.............86

4.2 Погрешности изготовления и сборки лопаточной машины.......................88

4.3 Анализ существующих подходов к обеспечению точности......................91

4.4 Разработка мероприятий по повышению точности

выполнения радиальных зазоров.........................................................................96

4.5 Уменьшение эксцентриситета ротора и статора методом компенсации отклонений формы........................................................................97

4.5.1 Анализ конструктивных и технологических особенностей

деталей ротора и статора..................................................................................98

4.5.2 Измерение отклонений формы и их анализ........................................100

4.5.3 Оптимизация углового положения деталей........................................103

4.5.4 Ограничения и возможности метода компенсации............................109

4.6 Уменьшение отклонений размеров методами пригонки..........................111

4.6.1 Лазерная обработка вершин лопаток...................................................112

4.6.2 Электроэрозионная обработка вершин лопаток.................................117

4.7 Изменения в структуре технологического процесса сборки....................119

4.8 Выводы по главе 4.........................................................................................120

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ РАДИАЛЬНЫХ

ЗАЗОРОВ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЯ.............................121

5.1 Определение интенсивности фреттинг-износа замковых соединений.... 126

5.2 Анализ ползучести материалов конструкции.............................................133

5.3 Определение суммарной картины динамики радиального

зазора в процессе эксплуатации двигателя.......................................................136

5.4 Общая методика минимизации радиального зазора..................................138

5.5 Выводы по главе 5.........................................................................................140

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ...........................................................................141

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..............................................141

Приложение А - Акты о внедрении результатов исследования...................156

ВВЕДЕНИЕ

Авиация в современном мире является одной из стратегически важных отраслей промышленности. Уровень развития авиационной техники может выступать в качестве показателя, характеризующего уровень развития государства, его научно-технический потенциал [1]. Лишь несколько ведущих мировых держав обладают возможностью проведения полного комплекса мероприятий по разработке и производству летательных аппаратов.

Технические характеристики и возможности летательного аппарата во многом определяются параметрами его силовой установки (двигателя). В настоящее время в авиации наибольшее распространение получают газотурбинные двигатели (ГТД), отличающиеся высокой эффективностью рабочего процесса, а также широким диапазоном достижимых скоростей и высот полёта.

Снижение конкурентоспособности российской авиационной техники, наблюдающееся в течение последних нескольких лет, связано, главным образом, с несоответствием большинства ГТД, находящихся в эксплуатации, мировому уровню по показателям экономичности (удельного расхода топлива), экологич-ности (эмиссии вредных веществ) и уровню звуковой эмиссии (шума).

Несоответствие показателей экологичности и уровня шума двигателей регламенту 1САО (Международной Организации Гражданской Авиации) налагает запрет на использование самолетов российского производства в странах-участниках данной организации, заставляет российские авиакомпании, занимающиеся транснациональными авиаперевозками, приобретать воздушные суда иностранного производства; вытесняя, таким образом, авиационную технику российских производителей как с мирового, так и с внутреннего рынка.

Следует понимать, что требования конвенции 1САО являются вполне обоснованными. В современных условиях перед человечеством все ярче проявляется проблема ограниченности природных ресурсов, необходимости их рационального использования, а также необходимости сокращения техногенного воздействия на окружающую среду, в том числе и на самих людей.

Таким образом, выходом из сложившейся ситуации может стать только интенсивное развитие, модернизация имеющихся конструкций и выпуск новых образцов ГТД. Всё это требует проведения большого объёма научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, наиболее перспективными направлениями которых остаются интенсификация рабочего процесса и повышение эффективности работы отдельных узлов двигателя [2, 3].

Исследование, проводимое в рамках диссертационной работы, относится ко второму направлению, и посвящено разработке методик рационального проектирования и изготовления (сборки) лопаточных машин ГТД (компрессоров и турбин), позволяющих сократить нежелательные потери и утечки через конструктивные зазоры, имеющиеся в их проточной части.

Целью работы является расчётное определение и технологическое обеспечение минимальных радиальных зазоров в конструкциях компрессоров и турбин на стадиях проектирования, производства и эксплуатации газотурбинных двигателей.

Научная новизна работы заключается в создании математических моделей для оценки на этапах проектных расчётов динамики радиальных зазоров в конструкциях компрессоров и турбин в рамках рабочего цикла, сборки, а также изменений радиальных зазоров в процессе длительной эксплуатации двигателя.

Практическая ценность заключается в разработке методики определения минимальных величин радиальных зазоров при проектировании; новых способов сборки, направленных на повышение точности выполнения зазоров при производстве двигателя; мероприятий по сохранению зазоров в эксплуатации, а также ряда устройств для регулирования радиальных зазоров.

Работа выполнена на кафедре «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения» Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П.А. Соловьева. Автор выражает благодарность научному руководителю, заслуженному деятелю науки и техники РФ, доктору технических наук, профессору В.Ф. Безъязычному; а также преподавателям и сотрудникам университета за оказанную помощь и поддержку при выполнении исследования.

ГЛАВА 1. ТЕКУЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

1.1 Анализ актуальности проблемы

Лопаточными машинами называются агрегаты, преобразующие энергию движущейся жидкости или газа в энергию вращающегося вала, и наоборот.

В традиционных схемах газотурбинных двигателей используются два типа лопаточных машин - компрессоры и турбины, которые, несмотря на противоположное назначение, имеют схожую конструкцию и принципы работы.

Одной из особенностей компрессоров и турбин является наличие между вращающейся и неподвижной частями их конструкции (ротором и статором) конструктивных зазоров, также называемых радиальными зазорами (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Радиальные зазоры (8Ь 82) в конструкциях лопаточных машин

а) компрессора; б) турбины

Радиальные зазоры выполняются для обеспечения возможности свободного вращения ротора относительно статора и исключения возможности их соприкосновения. Касание ротора и статора на высоких скоростях вращения является крайне опасным явлением, которое может привести к изнашиванию, деформации или поломке контактирующих деталей, а в отдельных случаях - к заклиниванию ротора, остановке и выходу двигателя из строя.

С другой стороны, наличие зазоров обуславливает перетекание через них определенного объема газа (воздуха) при работе двигателя между зонами с различным давлением. Направления этих течений показаны на рис. 1.2.

а) б) Рис. 1.2. Течения в радиальных зазорах а) в конструкции компрессора; б) в конструкции турбины ) - направление основного потока; ( <----) - направление утечек

Течения в радиальных зазорах не совершают полезной работы, но на их поддержание расходуется определенная доля энергии основного потока. Это приводит к снижению эффективности работы ступени, снижению коэффициента полезного действия (КПД) лопаточной машины и двигателя в-целом, и в конечном итоге ведет к повышенным затратам топлива. В качестве примера, по обобщенным данным [4, 5], увеличение зазоров на 1 % в среднем по проточной части приводит к снижению КПД компрессора на 1 -2 %.

Неэффективная работа компрессора приводит к ухудшению условий работы камеры сгорания, неполному сгоранию топлива, и, как следствие, ухудшению экологических характеристик двигателя (повышенному выделению сажи, а также оксидов углерода СОх и азота Ж)х).

Кроме того, результаты исследований [6, 7, 8] показывают возрастание уровня звуковой эмиссии при увеличении радиальных зазоров, связанное с интенсификацией вихреобразования на периферии лопаток.

Интенсификация вихревых и срывных явлений на периферии лопаток также может стать причиной образования нерасчетных углов атаки (рис. 1.3) и снижения запасов газодинамической устойчивости компрессора, в некоторых случаях до 3-7% при увеличении радиальных зазоров на 1 % [9].

Рис. 1.3. Нерасчетное обтекание периферийной части лопаток вследствие влияния течений в радиальных зазорах

Турбулентность потока на входе в камеру сгорания, вызываемая вихревыми и срывными процессами на периферии лопаток компрессора, приводит к дополнительным потерям и снижению экологичности двигателя.

На основании приведенных положений можно сделать вывод о том, что уменьшение радиальных зазоров в компрессорах и турбинах является важным шагом на пути к решению обозначенных ранее задач повышения экономичности, экологичности и снижения уровня шума авиационных двигателей.

Наибольшую сложность в решение этого вопроса вносит тот факт, что величины радиальных зазоров не являются постоянными. При работе двигателя, вследствие деформаций и нагрева конструкции наблюдается их отклонение от величины, заложенной при сборке. Изменения могут иметь широкий диапазон (более 100 %) [10], по этой причине, чрезмерное уменьшение монтажного (сборочного) радиального зазора может в конечном итоге привести к касанию ротора и статора на определенных режимах работы двигателя.

Всё это проиллюстрировано в виде схемы на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Схема влияния радиальных зазоров на характеристики двигателя

Таким образом, основная проблема заключается в выборе и обеспечении некоторого минимально допустимого радиального зазора, отвечающего как требованиям надежности, так и заданным высоким характеристикам двигателя.

1.2 Анализ проведенных научных исследований и производственного опыта

Проблема баланса между высокими характеристиками и надёжностью работы лопаточных машин в аспекте выбора радиальных зазоров известна достаточно давно. Пренебрежение этой проблемой в ряде случаев имело трагические последствия. В качестве наиболее известного примера, упоминаемого, в частности, автором книги [11], можно привести события, связанные с двигателем АЛ-21Ф, предназначенным для боевых самолетов Су-17, Су-24 и МиГ-23Б. Весьма высокие для своего времени характеристики этого двигателя были достигнуты, в том числе, путём значительного уменьшения радиальных зазоров в компрессоре. Испытания показывали ощутимое увеличение удельной тяги и экономичности двигателя по сравнению с его прототипом. Однако фактически, зазоры в конструкции были выполнены настолько малыми, что в некоторых случаях происходило касание вершин лопаток компрессора с корпусом.

Поскольку детали компрессора были выполнены из титановых сплавов, их касание и трение в условиях наличия большого количества кислорода приводило к возникновению так называемого «титанового пожара» (экзотермической реакции при температуре порядка 3000..3500 °С). Тушение титанового пожара в полете было и остается практически неосуществимым, в то время как действие высокой температуры вызывало разрушение двигателя в течение нескольких секунд. В большинстве аварийных ситуаций экипаж успевал покинуть борт самолета, однако были зарегистрированы и случаи гибели членов экипажа.

Очевидно, что даже при исключении возможности возникновения титанового пожара, касание ротора и статора представляет серьезную опасность и является недопустимым ни в военной, ни тем более в гражданской авиации.

Вполне вероятно, что проблема, связанная с обеспечением радиальных зазоров, существовала с момента разработки первых образцов газотурбинных двигателей, а в процессе их совершенствования имела различные аспекты и формулировки, отличные от тех, что стоят перед нами в настоящее время.

Рассматриваемую проблему сложно отнести к какой-либо определенной области науки и техники. Прежде всего, она относится к теории лопаточных машин, однако, в ряде случаев, может решаться при конструировании газотурбинных двигателей, либо при технологической подготовке их производства.

Вопросами теории лопаточных машин и, в частности, минимизации радиальных зазоров, в той или иной степени занимались представители всех ведущих российских научных школ авиационного двигателестроения: Центрального института авиационного моторостроения (ЦИАМ), Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ), Московского авиационного института (МАИ), Московского авиатехнологического инстутута (МАТИ), Казанского авиационного института (КАИ), Пермского государственного технического университета (ПГТУ), Самарского государственного аэрокосмического университета (СГАУ), Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ), Рыбинской государственной авиационной технологической академии (РГАТА) и других институтов, организаций и предприятий.