автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Повышение эффективности очистки внутренних полостей систем ГТД путем интенсификации движения промывочных сред

На правах рукописи

Левитова Ольга Николаевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ ВНУТРЕННИХ ПОЛОСТЕЙ СИСТЕМ ГТД ПУТЕМ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ДВИЖЕНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ СРЕД

Специальность 05.07.05 - Тепловые, элекгроракетные двигатели и энергетические установки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рыбинск-2013

005057927

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева».

Научный руководитель:

Семенов Александр Николаевич, доктор технических наук, доцент.

Официальные оппоненты:

Белобородое Сергей Михайлович, доктор технических наук, «Научно-производственное объединение «Искра», начальник группы отдела №722.

Галиновский Андрей Леонидович, кандидат технических наук, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, профессор кафедры «Технология ракетно-космического машиностроения».

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет», Уфа.

Защита диссертации состоится 15 мая 2013 г. в 12:00 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, Ярославской области, 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 12 апреля 2013 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Усложнение конструкции, расширение областей использования, увеличение ресурса, повышение требований к эксплуатационной надежности газотурбинных двигателей новых поколений поставило задачу высокоэффективной очистки систем в ряд наиболее актуальных. Современный газотурбинный двигатель (ГТД) представляет собой сложнейшую техническую систему, состоящую из множества подсистем, к чистоте внутренних поверхностей которых предъявляются очень жесткие требования. Наиболее высокие требования предъявляются к чистоте гидравлической, масляной и топливной систем двигателя, так как попадание загрязнений в узлы и агрегаты ГТД может привести к негативным последствиям: интенсивному изнашиванию, закупорке каналов малого сечения, увеличению сил трения, заклиниванию плунжерных пар, возникновению кавитационных явлений, окислению рабочих сред и т.д.

Тщательная очистка полостей систем от производственных и эксплуатационных загрязнений повышает срок их безотказной работы, улучшает технические характеристики и эксплуатационные свойства газотурбинных двигателей, сокращает расходы на обслуживание и ремонт, что дает большой экономический эффект. Современный уровень и темпы технического развития авиации выдвигают на первый план задачу обеспечения высокой надежности авиационных двигателей. Обеспечение необходимого уровня надежности возможно только в том случае, если на всех стадиях производства и ремонта ГТД осуществляется качественная очистка деталей и узлов его систем. Поэтому задача обеспечения высокой эффективности очистки внутренних рабочих полостей является важной и актуальной.

Цель работы - повышение эффективности очистки протяженных внутренних полостей систем ГТД путем увеличения нестационарносш потока моющих сред.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи.

1 Изучение основных видов загрязнителей каналов систем ГТД.

2 Анализ характеристик внутренних поверхностей систем ГТД.

3 Исследование закономерностей течения потока жидкости во внутренних

полостях деталей и узлов систем ГТД.

4 Создание математической модели механизма удаления загрязнений из внутренних полостей, учитывающей характеристики частиц загрязнений, конфигурацию, шероховатость очищаемых поверхностей и режим движения потока моющей жидкости.

5 Разработка комплексного критерия и методики оценки очистнои технологичности трубопроводных систем на этапе проектирования изделий.

6 Разработка алгоритма и методики для автоматизированной очистки каналов систем ГТД пульсирующим потоком моющей жидкости.

7 Подтверждение достоверности математической модели и эффективности предлагаемых мероприятий.

Основные положения, выносимые на защиту

1 Математическая модель удаления загрязнений из внутренних полостей деталей и узлов систем ГТД.

2 Критерий и алгоритм оценки технологичности очистки деталей и узлов систем ГТД на этапе проектирования.

3 Алгоритм для автоматизированного проектирования технологии очистки внутренних полостей систем ГТД.

Общая методика исследований

При выполнении работы использовались известные закономерности из областей физики, гидравлики, гидрогазодинамики, технологии производства ГТД. Расчетао-теоретические исследования проводились с использованием сертифицированных программных комплексов «А^УБ СКС 14», «№С 7.5».

Научная новизна заключается в разработке:

- математических моделей процесса удаления загрязнений из внутренних полостей, учитывающей характеристики частиц загрязнений, конфигурацию и шероховатость очищаемых поверхностей, режимы движения потока моющей жидкости;

- критерия и алгоритма оценки очистной технологичности внутренних поверхностей на этапе проектирования изделий;

- алгоритма для автоматизированного назначения условий и режимов очистки, обеспечивающего заданный класс чистоты систем ГТД.

Практическая ценность и реализация результатов работы

1 Разработаны мероприятия по повышению эффективности и автоматизации процесса очистки каналов систем ГТД нестационарным потоком моющей жидкости.

2 Разработана методика оценки очистной технологичности внутренних поверхностей деталей и узлов систем ГТД на этапе проектирования.

3. Разработана методика для автоматизированного проектирования технологических процессов очистки внутренних полостей систем ГТД.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: международная молодежная научная конференция «XXXVI Гагаринские чтения», г. Москва, РГТУ «МАТИ», 2010 г.; международный научно-технический семинар «Современные технологии сборки», г.Москва, МГТУ «МАМИ», 2011 г., международная научно-техническая кон-

ференция «Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадвигателестрое-нии» (ТМ-2012), г. Рыбинск, РГАТУ, 2012 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 статей, из них две — в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных работ.

Структура и объем диссертации

Работа изложена на 197 страницах, иллюстрирована 55 рисунками и содержит 46 таблиц. Диссертация состоит из введения и шести глав. Список использованных источников содержит 111 наименований, 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описывается современное состояние в области обеспечения промышленной чистоты внутренних полостей систем ГТД, обоснована важность проблемы, решаемой в диссертации.

В первой главе рассмотрена взаимосвязь промышленной чистоты функциональных систем и надежности ГТД. Достижение эксплуатационной надежности и безопасности возможно только в том случае, если на всех стадиях производственного цикла ГТД обеспечивается высокий уровень чистоты внутренних поверхностей. Проанализированы типичные отказы двигателей, связанные с основными видами и характеристиками загрязнений (природа, дисперсный состав и массовая концентрация).

В результате анализа существующих способов очистки деталей и узлов систем ГТД выявлено, что основным методом активации загрязнений в застойных зонах систем, обеспечивающим их гарантированное удаление, является создание циркулирующей нестационарности рабочих сред, за счет чего можно существенно повысить эффективность очистки каналов любой протяженности и конфигурации. Качество и продолжительность процесса очистки зависят от характеристик частиц загрязнений. В результате анализа проб, полученных в процессе очистки узлов систем ГТД, выявлено, что для снижения продолжительности и увеличения эффективности очистки каналов систем ГТД необходимо повысить интенсивность удаления частиц загрязнений с размерами менее 100 мкм.

Выполнен обзор литературных источников по рассматриваемой проблеме. Работы, посвященные очистке каналов циркулирующим потоком моющей жидкости, можно условно разделить на группы: исследования процесса очистки стационарным потоком жидкости (Т.М Башта, К.А. Никитин, С.В. Чирков); изучение основных закономерностей очистки металлических поверхностей (П.Н. Белянин, В.М. Данилов); анализ методов повышения эффективности очистки циркулирующим потоком моющей жидкости (П.Н. Белянин,

В.М. Данилов, Р.Г. Тимиркеев, В.М. Сапожников, А.Н. Свиридов); использование пульсирующих потоков моющей жидкости для очистки авиационных гидроагрегатов (В.М Санчугов, В.М. Решетов ); организационно-технические вопросы обеспечения промышленной чистоты (П.Н. Белянин, В.М. Данилов, Р.Г. Тимиркеев, В.М. Сапожников). В большинстве исследований рассматриваются общие закономерности процессов очистки, и, поэтому, их результаты требуют дальнейшего развития для безусловного применения при производстве

гтд.

Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе исследованы конструктивные особенности внутренних полостей деталей и узлов функциональных систем ГТД и характер их влияния на течение рабочих и очистных сред.

Системы ГТД имеют большую протяженность и сложную пространственную конфигурацию, а внутренние поверхности каналов, в зависимости от способов их изготовления и вида конструкционных материалов, могут иметь отклонения от правильной геометрической формы и различную шероховатость. Выявлено, что наиболее неблагоприятными видами гидравлических сопротивлений являются: резкие прямые или тупые повороты с застойными областями; резкие сужения и расширения; прямые и тупые разветвления; стыки в резьбовых, паяных и сварных соединениях. Большое влияние на параметры течения потока жидкости также оказывает шероховатость поверхностей в диапазоне Яа 3,2 - 12,5.

Известно, что режим течения жидкости определяется числом Рейнольдса Яе, которое для каналов одинакового диаметра зависит от скорости моющей жидкости и ее температуры* При переходе от ламинарного режима течения к турбулентному увеличиваются касательные напряжения на стенках канала, уменьшается толщина пограничного слоя, и возрастает скорость в пристеночных слоях жидкости, что способствует более интенсивному воздействию на частицы загрязнений со стороны потока жидкости (рисунок 1).

Ламинарный режим течения ТурбуЛвНТНЫЙ режим Течения В

^ каналах систем формируется при чис-

ле Рейнольдса 1-105-7-105 и скорости потока жидкости от 5 м/с. Однако, ' ... ......V..увеличение числа Рейнольдса за счет

. \ Турбулентный режим течения __ __

-ь- повышения скорости потока жидкости

Рисунок 1-Профили скоростей потока при нецелесообразно, так как требуется турбулентном и ламинарном течениях использование мощных насосных

станций, что существенно увеличивает затраты электроэнергии. Для интенсификации механического воздействия потока жидкости на загрязнения предлага-

ется повышать турбулентность путем использования растворов с повышенной температурой (60 - 80 °С). При скорости потока жидкости от 5 м/с и температуре выше 60°С в каналах систем диаметром до 50 мм толщина пограничного слоя при очистке маслами может достигать 203...820 мкм, ЛВЖ- 76...94 мкм, а водными растворами - 16...50 мкм, что является основанием для преимущественного назначения водных растворов в качестве основных моющих сред.

В третьей главе рассматривается процесс механического воздействия потока моющих сред на загрязнения, которое является одним из основных условий, определяющих эффективность очистки. Этот процесс можно разделить на последовательно происходящие этапы: отрыв частиц загрязнителя от поверхности и их транспортировку из зоны очистки до фильтрующих устройств.

Процесс отрыва загрязнений потоком моющей жидкости является основной составляющей всего процесса очистки. На частицу, лежащую на внутренней поверхности канала, со стороны потока жидкости, движущейся со скоростью и, действуют силы: тяжести б, адгезии Рад, трения Ртр, лобового сопротивления Жх, подъема Жу и инерции Т\. (рисунок 2).

Отрыв частицы от поверхности возможен, если сумма сил гидравлического воздействия на нее жидкости в направлении потока превысит силы трения и удержания на поверхности

мер

У / Ртр X Рп УГу /у Фу- ЦТ) ФХ

/////

о рщ

Рисунок 2 - Схема воздействия потока на частицу, лежащую на поверхности поверхности контакта, определяется выражением

где

(1) (2)

Сила лобового сопротивления \¥х, смещающая частицу относительно

(3)

сх - коэффициент лобового сопротивления; рж - плотность жидкости, кг/м3; £>ч- диаметр частицы загрязнения, м.

Подъемную силу РРУ, возникающую вследствие несимметричности обтекания загрязнений потоком жидкости, в результате чего давление жидкости под частицами превышает давление над ними (рисунок 3), можно выразить

*Ц2 1 О2

о2-о2

Рхизше /МРа 1

Рисунок 3 - Распределение давления вокруг частицы

где

Рн - давление под частицей, Па; Ре - давление над частицей, Па.; Ас- диаметр очищаемого канала, м; 5-толщина пограничного слоя, м.

Сила инерции возникает при пульсациях потока жидкости и в рассматриваемом случае может не учитываться.

При транспортировке в потоке жидкости частица может двигаться в двух направлениях: осевом со скоростью их и радиальном со скоростью и^. На частицу, находящуюся только во взвешенном состоянии, действуют следующие силы: тяжести Б, сопротивления 1УСопр и пульсации (рисунок 4).

wcoпp 1 Условием нахождения частицы во взвешенном со-

\Упульс т

т стоянии является равенство

= (5)

Оседанию частиц на поверхность из основного по-0. тока жидкости препятствует сила сопротивления Жсопр

Рисунок 4 - Схема воз- ^ = ((л

действия потока на час- 0 '

тицу в потоке где ссопр - коэффициент сопротивления движению.

Сила пульсации зависит от радиальной скорости потока жид кости иу и, следовательно, от режима ее течения. При скорости потока 3-7 м/с радиальная составляющая скорости в каналах систем ГТД имеет значение 0,20,8 м/с.

Для определения характера перемещения частиц при транспортировке предложен критерий удаления частиц, физический смысл которого заключается в сравнении времени транспортировки ¡тр с временем осаждения ^

" -А' (?)

где Ьк — длина очищаемого канала, м.

При К^ < 1 частицы движутся в основном потоке и будут полностью вынесены из канала, при Куд > 1 частицы оседают обратно на поверхность и вероятность их выноса снижается.

Геометрическая форма частиц загрязнений влияет на процесс их транспортировки. Скорость осаждения из потока жидкости для частиц неправильной формы меньше, чем для сферических частиц сопоставимых размеров. Размер частиц загрязнений, в первую очередь, влияет на силу их адгезии к очищаемой поверхности.

Влияние геометрических характеристик частиц загрязнений на особенности протекания процессов их отрыва и транспортировки предлагается учитывать с помощью критерия формы частиц Кф

Кт (8)

где Ьтах, Ьт1п - максимальный и минимальный размеры частицы, м, который косвенно характеризует силы адгезии частиц к поверхности.

Для частиц с размером меньше 100 мкм сила адгезии оказывает основное влияние на их удержание на поверхности, поэтому при расчетах силой тяжести можно пренебречь, а силу адгезии частиц вытянутой формы (с Кф > 2) необходимо учитывать с помощью коэффициента адгезии К^

с*

_ гад_сф р

адвыт ^^

где Рад_с, Рад еыт - силы адгезии -для сферической и вытянутой частиц, Н. •

В зависимости от глубины погружения в пограничный слой частицы загрязнений предлагается разделить на две размерные группы: частицы с £>,<50 мкм, находящиеся в толще пограничного слоя жидкости (группа 1), и частицы с 50 <£>,< 100 мкм, выступающие из него (группа 2), поскольку на них будут по-разному воздействовать силы жидкости.

Средние скорости иср х, необходимые для перемещения частиц этих групп под действием лобовой силы Жх, можно определить

Л, < 50 мкм £>, >50 мкм

^ 8/^ 25 8/трШаЛ

^¡t^-JdJ •• (10)

где fmp - коэффициент трения.

к- опытный коэффициент адгезии, Н/м.

Графики полученных зависимостей представлены на рисунке 5.

Расчет показывает, что силы лобового сопротивления частиц группы 1 и частиц группы 2 с Кф > 4, движущихся в потоке со скоростью 3-5 м/с, недостаточно для перемещения в продольном направлении. Для обеспечения отрыва и успешной транспортировки на них должна воздействовать достаточная подъемная сила со стороны потока жидкости, определяемая скоростями D4 < 50 мкм D4 >50 мкм

>\8кКад D] 25 [ШС^ D2

Графики скоростей, необходимых для перемещения частиц с D4 < 50 мкм в основной поток жидкости под действием силы Wy, представлены на рисунке 6.

Подъемной силы потока, движущегося со скоростью 3-5 м/с, недостаточно для перемещения в поперечном направлении частиц группы 1 и частиц группы 2 с Кф > 4. Наложение колебаний на поток жидкости позволяет повысить разность давлений вокруг частицы и, соответственно, увеличить подъ- ■ емную силу.

В результате исследования, проведенного при помощи программного комплекса ANS YS CFX 14, выявлено, что для разрушения циркуляционных зон в гидравлических сопротивлениях и отрыва частиц загрязнений с D4 < 50 мкм от поверхности на поток жидкости достаточно накладывать колебания в диапа-

зоне частот от 2 до 4 Гц. Характер распространения колебаний по длине очищаемого канала зависит от его конфигурации и длины.

<1_Х,ЫС 20 18 16

*-Кф=1 ы

Щ=2 12 -ш-Кф=3 Ю ^Кф=4 8 *-Кф=5 6

250 200 150 100 50 О

10 15 20 30 40 50 1)ч. мкм

—Группа1 Кф—1

г-Группа 1 Кф=2

5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Он. мхм

Рисунок 6 - Скорость, необходимая для отрыва частиц группы 1 под действием подъемной силы водного потока (Т=60°С)

Рисунок 5 - Скорость, необходимая для смещения частиц под действием лобовой силы водного потока (Т=60°С)

Возникающая в нежестких трубопроводах при наложении колебаний сила инерции, по величине сопоставимая с силой адгезии, также способствует отрыву частиц от стенок.

Скорость осаждения иж при транспортировке частиц

1А

3 Рх

^пулъс^у

(12)

где /л, — плотность частицы, кг/м ; Ссопр— коэффициент пульсаций; g - ускорение свободного паде-

5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -Ьк=] м, £>к=8 мм £>ч, мкм

Л(, Е>к*=8 мм

~ 2M.DK 50 чи............ ................................................ .......

ния, м/с .

Рисунок 7 - График зависимости Куц от размера частиц при и=5 м/с (7) Зависимость критерия удаления от размеров частиц загрязнений представлена на рисунке 7.

Из представленных данных следует, что частицы группы 1 успешно транспортируются потоком жидкости. Для частиц 2 группы критерий удаления не требуется рассчитывать, так как они перемещаются вблизи поверхности. Если коэффициент удаления для частиц группы 1 больше единицы, то необходимо скорректировать время очистки или производить комбинированную очистку переменно нестационарным и стационарным потоками жидкости.

Четвертая глава посвящена отработке конструкции каналов функциональных систем ГТД на очистную технологичность, что обусловлено необходимостью повышения качества и снижения затрат на очистку. Для сравнения различных вариантов конструкции на этапе проектирования с точки зрения эффективности их очистки разработан комплексный критерий очистной техноло-

гичности внутренних поверхностей, который можно представить совокупностью следующих частных показателей:

- критерий влияния шероховатости поверхности Кш

С

= ^-, (13)

X С Вафакт / НЦа ¡=1

где Сш.б ~ коэффициент сопротивления поверхности канала с шероховатостью Яа 1,6 мкм при заданном числе Яе; '

С"на факт - коэффициент сопротивления участка поверхности канала с шероховатостью, отличной от Яа 1,6 мкм;

пКа - число участков канала с шероховатостью, отличной от Яа1,б мкм;

— критерий влияния местных гидравлических сопротивлений Кгс

~ ' (14)

X С сопр_фахт / ^сопр

где Сг.мо,. - коэффициент сопротивления гладкого прямолинейного канала; Ссопр_фшт- коэффициент участка с местным сопротивлением, Псопр — число участков с гидравлическими сопротивлениями;

- критерий конструктивной сложности Ккс

сопр

— критерий взаимовлияния гидравлических сопротивлений Квв

псопр

ЕС

_ _гладк

(16)

*'сопр

где Сс - коэффициент учета взаимного влияния сопротивлений.

Комплексный критерий очистной технологичности каналов Кг, отражающий производственные требования к их конструкции, имеет вид

к

Кт = Кт = (¡7)

Преимуществами комплексного критерия технологичности очистки являются: узкий диапазон возможных значений — от 0 до 1, что позволяет наглядно оценивать на технологичность любые конструкции каналов с позиции эффективности обеспечения промышленной чистоты; высокая чувствительность к использованию любых решений, которые ухудшают условия очистки и снижают. ее эффективность.

В пятой главе приведен комплекс мероприятий по повышению эффективности очистки систем ГТД, которые заключаются в исключении попадания загрязнений во внутренние полости при испытаниях, контроле, сборке, очистке, хранении и транспортировке деталей и узлов, тщательном контроле чистоты поверхностей на всех этапах производства, рациональном выборе технологиче-

ских моющих сред, автоматизации процесса очистки, разработке методики выбора параметров процесса очистки в зависимости от характеристик очищаемой поверхности и параметров частиц загрязнений.

Для создания нестационарности потока разработана схема генератора колебаний жидкости дискового типа с гидро- или пневмоприводом (рисунок 8) и схема установки для автоматизированной очистки систем ГТД.

При изменении сечения канала скорость потока жидкости будет изменяться по закону u(t)=A+Acos(2tfjit), (18) где А - амплитуда, м/с;

/д - частота вращения, Гц. и — количество проходных отверстий в диске генератора; t - время, с.

Генератор позволяет создавать колебания потока жидкости до 5 Гц. кости; У - крышка

На основе проведенных исследований разработан алгоритм автоматизированного назначения параметров процесса очистки систем ГТД (рисунок 9).

В шестой главе на базе исследований, проведенных в главах 2-4, разработаны методики технологической отработки конструкции каналов функциональных систем ГТД на технологичность на этапе проектирования изделий и выбора параметров процесса очистки деталей и узлов каналов систем ГТД.

Для проверки адекватности разработанной математической модели был выполнен проверочный расчет режимов течения потока жидкости в канале подвода масла опоры турбины двигателя АЛ-55ИИ, результаты которого сопоставлены с результатами расчетов, проведенных в ANS YS CFX 14. Относительная погрешность расчета составляет 15-25%, что связано с большим количеством факторов, влияющих на процесс движения потока жидкости в канале. Это позволяет охарактеризовать предложенную математическую модель и методики как адекватные и подходящие для определения технологичности очистки и расчета ее режимов при проектировании и производстве деталей и узлов систем ГТД.

Произведен анализ экономического эффекта от применения разработанной методики очистки, который наблюдается за счет сокращения количества остановов двигателя при испытаниях по причине обнаружения металлических частиц в рабочих жидкостях.

Рисунок 8 - Конструктивная схема гидромеханического генератора колебаний: 1 - дроссель; 2 - рейка-шток; 3 - шестерня; 4 - вал; 5 - корпус; 6 - перфорированный диск; 7,8 - штуцеры подвода и отвода жид-

Ввод исходных данных по характеристикам очищаемой поверхности:

- длина канала;

- диаметр канала;

- количество и вид гидравлических сопротивлений;

- шероховатость.

Ввод исходных данных по характеристикам частиц загрязнений:

- количество частиц с Кф<2 и ¿Х< 50 мкм;

- количество частиц с Кф<2 и 50</-Х<100 мкм;

- количество частиц с К*>2 и /Л< 50 мкм;

- количество частиц с Кф>2 и 50<£>.<100 мкм; " материал загрязнений.

Ввод данных в соответствие с ТТ узла: -требуемый класс чистоты;

- рабочее давление при эксплуатации;

- расход рабочей жидкости при эксплуатации.

Назначение ТМС

Назначение температуры ТМС

_1_

Расчет скорости потока при эксплуатации

Л.

Назначение скорости при очистке

| Увеличение расхода |_среды_

иет>| ! Увеличение температуры 1_среды_

' Расчет скорости, необходимой для / / смещения частиц с 5(КД.<100 мкм/

('Конец)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 В результате анализа технологических процессов очистки внутренних полостей узлов систем ГТД выявлено, что наиболее сложно удаляются частицы загрязнений с размерами менее 100 мкм и находящиеся в застойных областях.

2 Очистку каналов ГТД целесообразно производить водными растворами при температуре 60 - 8.0 °С и скорости потока жидкости 3 - 5 м/с, что приводит к формированию турбулентного режима течения.

3 Разработанная математическая модель процесса отрыва и транспортировки частиц загрязнений в каналах учитывает характеристики частиц загрязнений, конфигурацию и шероховатость очищаемых поверхностей, а также режим движения потока моющей жидкости.

4 Разработаны комплексный критерий оценки очистной технологичности внутренних поверхностей деталей и узлов систем ГТД и методика его определения, которые позволяют на этапе проектирования учитывать влияние конфигурации полостей и шероховатости очищаемых поверхностей на эффективность очистки.

5 Алгоритм и методика для автоматизированного проектирования технологического процесса очистки циркулирующим потоком моющей жидкости позволяют повысить эффективность удаления загрязнений за счет снижения трудоемкости проектирования технологических процессов и очистки, а также назначения рациональных режимов движения моющих сред.

Основные положения диссертации отражены в 8 опубликованных работах, из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1 Левитова, О.Н. Теоретическое исследование законов движения рабочих сред для повышения эффективности очистки систем функционирования газотурбинных двигателей / О.Н. Левитова, А.Н. Семенов // Вестник РГАТУ им. П.А. Соловьева. - Рыбинск: РГАТУ, 2011. - №2(21). - С. 60 - 67.

2 Левитова, О.Н. Повышение эффективности очистки каналов систем ГТД на основе моделирования условий удаления технологических загрязнений / О.Н. Левитова, А.Н. Семенов // Вестник РГАТУ им. П.А. Соловьева. - Рыбинск: РГАТУ, 2012. - №2(23). - С. 119 - 126.

В других изданиях

3 Левитова, О.Н. Повышение эффективности очитки внутренних полостей агрегатов и систем ГТД / О.Н. Левитова И XXXVI Гагаринские чтения. Научные труды Международной научной Конференции в 8 томах. - М.: МАТИ, 2010.-Т. 2., С. 172-174.

4 Левитова, О.Н. Анализ методов гидродинамической очистки внутренних полостей деталей двигателей / О.Н. Левитова // XVIII Туполевские чтения.

Международная молодежная научная конференция, 26-28 мая 2010 года: Материалы конференции.: Казань, 2010. - Т. 3., С. 205 - 207.

5 Левитова, О.Н. Анализ эффективности применения различных элементов гидросистем для создания неустановившегося потока при очистке внутренних полостей агрегатов и систем / О.Н. Левитова // IX Международная научно-техническая конференция «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства»: Материалы конференции.: Ростов-на-Дону, 2010. - С. 721-724.

6 Левитова, О.Н. Моделирование гидродинамической нестационарности рабочей среды во внутренних полостях деталей и узлов ГТД / О.Н. Левитова // XXXVII Гагаринские чтения. Научные труды Международной научной конференции в 8 томах. - М.: МАТИ, 2011. - Т. 2, С. 10-13.

7 Семенов, А.Н. Моделирование гидродинамической нестационарности рабочей среды во внутренних полостях деталей и узлов ГТД / А.Н. Семенов, О.Н. Левитова// Материалы международного научно-технического семинара современные технологии сборки 20-21 октября 2011 года - М.:МАМИ, 2011. -С. 71-80.

8 Левитова, О.Н. Алгоритм проектирования технологического процесса очистки каналов систем ГТД / О.Н. Левитова// Материалы четвертой международной научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении» в 2-х частях. - Рыбинск: РГАТУ, 2012. -Ч. 1,С. 88-92.

Зав. РИО М.А. Салкова Подписано в печать 12.04.2013. Формат 60x84 1/16. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100. Заказ 140.

Рыбинский государственный авиационный технический университет имени ПЛ. Соловьева (РГАТУ имени П.А. Соловьева)

Адрес организации: 152934. г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53.

Отпечатано в множительной лаборатории РГАТУ имени П. А. Соловьева

152934. г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53.

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

04201 357837 На правах рукописи

ЛЕВИТОВА ОЛЬГА НИКОЛАЕВНА

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ ВНУТРЕННИХ ПОЛОСТЕЙ СИСТЕМ ГТД ПУТЕМ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ДВИЖЕНИЯ

ПРОМЫВОЧНЫХ СРЕД

Специальность 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергетические установки летательных аппаратов

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Семенов Александр Николаевич доктор технических наук, доцент

Рыбинск 2013

Содержание

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

ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧИСТОТЫ СИСТЕМ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (ГТД)........................................................................................6

1.1 Взаимосвязь промышленной чистоты функциональных систем и надежности ГТД................:.........................................................................................................................................6

1.2 Нормирование промышленной чистоты агрегатов и систем газотурбинных двигателей.............................................................................................................................................9

1.3 Контроль промышленной чистоты агрегатов и систем газотурбинных двигателей...........................................................................................................................................16

1.4 Существующие способы очистки деталей и узлов систем ГТД.............................19

1.5 Эффективность очистки каналов сложной конфигурации функциональных систем ГТД от производственных и эксплуатационных загрязнений...................................28

1.6 Анализ ранее выполненных работ по очистке каналов циркулирующим потоком моющей жидкости. Цель и задачи исследования.......................................................................35

1.7 Выводы по главе 1............................................................................................................39

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ СИСТЕМ ГТД И ВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВНУТРЕННИХ ПОЛОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ НА ДВИЖЕНИЕ РАБОЧИХ И ПРОМЫВОЧНЫХ СРЕД.............................................................................................40

2.1 Основные виды гидравлических сопротивлений каналов систем ГТД................41

2.2 Состояние поверхностей каналов систем ГТД..........................................................46

2.3 Особенности течения потока моющей жидкости в каналах систем ГТД............47

2.4 Выводы по главе 2............................................................................................................59

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОТРЫВА И ТРАНСПОРТИРОВКИ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В СИСТЕМАХ ГТД.................................................................................................60

3.1 Силовое воздействие моющих сред на поверхностные загрязнители каналов систем ГТД..........................................................................................................................................60

3.2 Силовое воздействие моющих сред на взвешенные загрязнители в каналах систем ГТД..........................................................................................................................................72

3.3 Влияние параметров потока моющей жидкости на особенности отрыва частиц

загрязнений..........................................................................................................................................77

3.4 Исследование влияния характеристик частиц загрязнений на особенности

протекания процессов их отрыва и транспортировки................................................................78

3.4.1 Влияние материала и формы частиц загрязнений на процессы их отрыва и

транспортировки................................................................................................................................78

3.4.2 Влияние размеров частиц загрязнений на процессы их отрыва и транспортировки................................................................................................................................82

3.5 Определение параметров потока моющей жидкости, необходимых для отрыва частиц загрязнений от поверхности...............................................................................................87

3.6 Выводы по главе 3..........................................................................................................104

ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОТРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ КАНАЛОВ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ ГТД...........................................................................................106

4.1 Критерий влияния шероховатости поверхности.....................................................107

4.2 Критерий влияния местных гидравлических сопротивлений...............................114

4.3 Критерий конструктивной сложности........................................................................126

4.4 Критерий взаимного влияния местных гидравлических сопротивлений...........126

4.5 Разработка комплексного критерия очистной технологичности каналов систем ГТД......................................................................................................................................................128

4.6 Разработка алгоритма оценки очистной технологичности конструкции каналов деталей и узлов систем ГТД...........................................................................................................130

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ СИСТЕМ ГТД..........................................................................132

5.1 Организационное обеспечение промышленной чистоты при производстве ГТД ........................;.....................................................................................................................................132

5.2 Технологическое обеспечение процесса очистки и выбора моющих сред при очистке...............................................................................................................................................134

5.3 Технологические возможности устройств создания нестационарности потока моющих сред.....................................................................................................................................140

5.4 Разработка устройства для повышения нестационарности потока моющих сред ..............................................................................................................................................................143

5.5 Обоснование выбора параметров потока моющих сред........................................150

5.6 Конструктивная схема установки для автоматизированной очистки трубопроводных систем ГТД.........................................................................................................153

5.7 Разработка алгоритма проектирования технологического процесса промывки

функциональных систем ГТД........................................................................................................158

5.8 Выводы по главе 5..........................................................................................................161

ГЛАВА 6. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ КАНАЛОВ СИСТЕМ ГТД.....................162

6.1 Разработка методики отработки на технологичность внутренних полостей систем ГТД........................................................................................................................................ 162

6.2 Разработка методики проектирования технологического процесса очистки внутренних полостей систем ГТД................................................................................................164

6.3 Апробация методики и подтверждение достоверности полученных результатов ..............................................................................................................................................................166

6.4 Оценка экономического эффекта от применения разработанной методики проектирования технологического процесса очистки внутренних полостей систем ГТД ..............................................................................................................................................................177

6.5 Выводы по главе 6..........................................................................................................181

Заключение............................................................................................................................183

Список использованных источников..............................................................................184

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................................................195

Введение

Усложнение конструкции, расширение областей использования, увеличение ресурса, повышение требований к эксплуатационной надежности газотурбинных двигателей новых поколений поставило задачу высокоэффективной очистки систем в ряд наиболее актуальных. Современный газотурбинный двигатель (ГТД) представляет собой сложнейшую техническую систему, состоящую из множества подсистем, к чистоте внутренних поверхностей которых предъявляются очень жесткие требования. Наиболее высокие требования предъявляются к чистоте гидравлической, масляной и топливной систем двигателя, так как попадание загрязнений в узлы и агрегаты ГТД может привести к негативным последствиям: интенсивному изнашиванию, закупорке каналов малого сечения, увеличению сил трения, заклиниванию плунжерных пар, возникновению кавитационных явлений, окислению рабочих сред и т.д.

Тщательная очистка полостей систем от производственных и эксплуатационных загрязнений повышает срок их безотказной работы, улучшает технические характеристики и эксплуатационные свойства газотурбинных двигателей, сокращает расходы на обслуживание и ремонт, что дает большой экономический эффект. Современный уровень и темпы технического развития авиации выдвигают на первый план задачу обеспечения высокой надежности авиационных двигателей. Обеспечение необходимого уровня надежности возможно только в том случае, если на всех стадиях производства и ремонта ГТД осуществляется качественная очистка деталей и узлов его систем. Поэтому задача обеспечения высокой эффективности очистки внутренних рабочих полостей является важной и актуальной.

Глава 1 Проблема обеспечения промышленной чистоты систем газотурбинных двигателей (ГТД)

1.1 Взаимосвязь промышленной чистоты функциональных систем и надежности ГТД

Промышленная чистота - состояние изделия, его элементов, технологических сред (зон), технологического оборудования, характеризуемое отсутствием загрязнителя и учитываемое при конструктивно-технологическом обеспечении качества продукции на всех стадиях жизненного цикла. Нормы промышленной чистоты должны соблюдаться при разработке конструкторской документации, изготовлении, ремонте и в процессе эксплуатации газотурбинного двигателя. Термины и определения, применяемые в области промышленной чистоты, устанавливает стандарт [1].

Загрязнитель - любая инородная (посторонняя) энергия или вещество (частицы, жидкости, газы, энергия в виде теплоты, статического электричества, радиации и др.) в технологической среде (зоне), отрицательно влияющие на надежность, безопасность, экономичность продукции.

Чувствительность к загрязнителям элементов деталей - характеристика, отражающая отклонения от заданного одного или нескольких параметров, в зависимости от уровня загрязнения их рабочих поверхностей и рабочих сред.

Обеспечение промышленной чистоты - комплекс технических мероприятий по ликвидации источников загрязнений и удалению загрязнителей на разных этапах технологического воздействия на элементы деталей, а также при транспортировке и хранении.

Норма промышленной чистоты - система предельно допустимых уровней содержания загрязнителя в продукции, технологической среде (зоне) на

определенной стадии жизненного цикла, соответствующих классу промышленной чистоты.

Класс промышленной чистоты - кодированное обозначение соответствия продукции, технологической среды (зоны) нормам промышленной чистоты.

Опыт производства и эксплуатации ГТД показывает, что их надежность во многом определяется чистотой рабочих жидкостей, которая, в свою очередь, зависит не только от качества фильтрации, но и от количества загрязнений, находящихся во внутренних полостях деталей и узлов масляной, топливной и воздушной систем. Наличие в рабочих жидкостях частиц загрязнений может привести к нарушению работоспособности и отказу ГТД. Эксплуатация двигателей ДЗОКП/КУ производства «ОАО «НПО Сатурн» свидетельствует, что подавляющая часть отказов в виде аварийных остановов связана с появлением в рабочих жидкостях частиц различной природы (рисунок 1.1, 1.2).

Появление посторонних частиц в системах ГТД происходит в основном в результате нормального изнашивания трущихся поверхностей, усталостного выкрашивания, задира, изнашивания микрорезанием. Также в полостях ГТД часто присутствуют частицы, образовавшиеся при механической обработке, сварке и других технологических операциях.

Первые три источника образования загрязнений являются результатом функционирования ГТД, в то время как последние относятся к производственному этапу жизненного цикла.

Производственные загрязнения так же могут привести к преждевременному изнашиванию . рабочих поверхностей при эксплуатации изделий. Наиболее чувствительными к загрязнению элементами конструкции двигателей в масляных, гидравлических и топливных системах являются подшипники скольжения и качения, плунжерные пары и золотники, работоспособность которых определяется радиальными зазорами. В современных высокоскоростных подшипниках качения и скольжения, в рабочих парах гидравлических насосов и регулирующих агрегатов минимальные рабочие радиальные зазоры подшипников составляют порядка 5... 10 мкм.

а

2

3

и о о л

I

2007 2008 2009 2010 2011 2012 Распределение инцидентов по годам

■ Превышение уровня загрязненности

рабочих сред

■ Повышенная вибрация

■ Повреждение лопаток, подшипников

ит.д

■ Повышение

температуры газов за

турбиной

■ Другие причины

Рисунок 1.1- Статистика инцидентов в процессе эксплуатации двигателей Д30-КП/КУ по данным «ОАО«НПО Сатурн»

а

2

2 н о о ш

i

2007 2008 2009 2010 2011 2012 Распределение инцидентов по годам

| Превышение уровня

загрязненности

рабочих сред | Повышенная вибрация

Параметры двигателя

| Разрушение и повреждение деталей и со ед

Другие причины

Рисунок 1.2 - Статистика инцидентов при испытаниях двигателей Д30-КП/КУ по данным «ОАО«НПО Сатурн»

Твердые частицы, размером превышающие величину рабочих зазоров, наносят повреждения на трущиеся поверхности, которые ограничивают рабочий ресурс конструктивных элементов и, в отдельных случаях, приводят к преждевременному отказу ГТД и большим материальным потерям. Таким образом,

большинство отказов в эксплуатации ГТД определяется наличием посторонних частиц в рабочих жидкостях и, в значительной степени, зависит от первоначальной чистоты внутренних полостей систем.

Для нормальной работы двигателя необходимо, чтобы класс чистоты его систем был выше класса, который может быть допущен, исходя из требований надежности и долговечности. Оптимальным уровнем чистоты системы можно считать такой, при котором функциональные свойства, основные показатели надежности ГТД не нарушаются и не ухудшаются из-за наличия остаточных загрязнений. Поэтому достижение эксплуатационной надежности и безопасности возможно только в том случае, если на всех стадиях производства и ремонта ГТД обеспечивается высокий уровень чистоты внутренних поверхностей.

На процесс очистки существенное влияние оказывают такие характеристики загрязнений как их форма и размер. Российский стандарт [2] нормирует дисперсный состав или массовую концентрацию загрязнений в каналах систем ГТД. Контроль загрязненности жидкостей заключается в установлении их принадлежности к определенной группе качества - классу чистоты. Обеспечение промышленной чистоты состоит в реализации комплекса организационно-технических мероприятий, направленных на обеспечение точности и достоверности измерений в соответствии с нормами. Комплекс этих мероприятий включает в себя назначение норм, выбор методов и средств измерений, а также разработку методик аттестации приборов для измерения чистоты.

1.2 Нормирование промышленной чистоты агрегатов и систем

газотурбинных двигателей

Показателями, характеризующими влияние загрязнителей на надежность продукции по государственному стандарту [3], могут быть:

- дисперсный состав загрязнителя;

- гранулометрический состав загрязнителя;

- массовая концентрация загрязнителя;

- максимальный размер частиц и т.д.

Норму промышленной чистоты устанавливают исходя из требований к наиболее чувствительному элементу конструкции. Ее значение определяют следующие группы факторов [4]:

- конструктивно - функциональные, определяющие механизмы и интенсивность воздействия загрязнителя на параметры, безотказность и долговечность продукции (зазоры, скорость относительного движения деталей, удельные нагрузки и т.д.);

- интенсивность использования механизма по доле его рабочего времени в общей продолжительности работы продукции и по мощности;

- технологические и организационные, определяющие обеспечение промышленной чистоты в производстве и эксплуатации;

- технологичность конструкции, применительно к обеспечению промышленной чистоты;

- экономические, определяющие рентабельность обеспечения промышленной чистоты.

Требуемую степень чистоты полостей и рабочих сред устанавливают на основании изучения влияния размеров, материала и количества частиц загрязнителя на показатели надежности и долговечности.

Требования к чистоте агрегатов и систем машин должны быть всегда технически и экономически обоснованными, поскольку затраты на достижение определенного уровня чистоты могут быть значительными. Например, при повышении чистоты рабочей жидкости в 2 раза затраты на ее очистку необходимо увеличить более, чем в 2 раза. Рекомендации по обеспечению и контролю промышленной чистоты при разработке, производстве и эксплуатации продукции содержатся в [5].

Российский стандарт [2] устанавливает 17 классов чистоты жидкостей, (таблица 1.1). Классы чистоты мож