Распределение и характер повреждений элементов конструкции гтд по системам и узлам и их причины возникновения
Компрессор
Характерными повреждениями компрессора являются механические, усталостные и эрозионные повреждения рабочих и статорных лопаток. Основными причинами являются [9]:
высокий уровень динамических нагрузок;
попадание посторонних предметов в воздушный тракт двигателя при его работе (воздействие воды, пыли, крупных частиц, птиц);
коррозионное воздействие;
некачественное изготовление лопаток, дисков (наличие ковочных трещин, дефектов материала, отклонения размеров от чертёжных, высокие остаточные напряжения).
Высокий уровень динамических нагрузок в сочетании с действием концентраторов напряжений при расчётных нагрузках и ухудшением физико-механических свойств материала во многих случаях приводит к усталостным повреждениям и разрушениям лопаток компрессора, вентилятора (рис. 17).
Рис.17. Этапы развития повреждения рабочей лопатки КВД
Одним из факторов, способствующих ускоренному усталостному разрушению лопаток в эксплуатации, является работа отдельных элементов конструкции двигателя на нерасчётных режимах: колебания бандажированных лопаток при износе контактирующих поверхностей бандажных полок свыше допустимых пределов; работа ГТД при нерасчётном положении лопаток поворотного НА из-за разъединения или разрушения кинематики управления (рис. 18).
Рис. 18. Разрушение кинематики управления регулируемой лопатки НА КВД
Развитие усталостных трещин, как правило, начинается с выходных кромок и реже – с входных. В ряде случаев зарождение трещин происходит со спинки или корытца, но только в комлевой части, непосредственно у замка. При повреждении деталей компрессора из алюминиевого сплава на лопатках турбины обычно образуется налёт расплавленного сплава в виде светлых пятен и точек, которые могут служить признаками повреждений при оценке технического состояния двигателя.
Усталостные повреждения замков лопаток компрессора начинаются на тех участках рабочей поверхности хвостовика, где наибольший концентратор напряжений неблагоприятно сочетается с общей неравномерностью распределения напряжений. Контактирующие с диском поверхности хвостовика могут повреждаться в результате действия фреттинг-коррозии. Другой причиной разрушения хвостовиков лопаток компрессора являются повышенные контактные напряжения из-за нарушения плоскостности граней выступа диска и хвостовика лопатки.
Колебания лопаток направляющего аппарата вызываются срывными колебаниями и колебаниями от вращающегося срыва. Формы колебаний лопаток направляющих аппаратов, приводящие к усталостным повреждениям, относятся к сложным изгобно-крутильным и пластинчатым формам. На низких частотах проявляются изгибные и изгибно-крутильные формы, на высоких частотах – пластинчатые формы (рис. 19).
Рис. 19. Пример голографических интерферограмм рабочей лопатки вентилятора для форм колебаний [14]: а – первая изгибная форма; б – первая крутильная форма; в – пластинчатая форма
Попадание посторонних предметов в воздушный тракт двигателя приводит к механическим повреждениям элементов проточной части, типичными повреждениями являются забоины, вмятины, вырывы материала детали (рис. 20), которые возникают при рулении и движении по ВПП, при взлёте, посадке ЛА, при включении реверса и на стоянке при работающих двигателях.
Рис. 20. Забоины, вырывы, вмятины лопаток вентилятора и компрессора двигателя CFM56-5B
Повреждения элементов проточной части компрессора посторонними частицами размером менее 0,4 мм в условиях работы ГТД в запылённой местности относятся к повреждениям эрозионного характера. Такое повреждение является в эксплуатации одним из наиболее распространённых видов повреждений (рис. 21).
Рис. 21. Эрозия лопаток КВД и лопаток спрямляющего аппарата вентилятора
При работе ГТД в условиях повышенной водности, когда воздух насыщен водой жёсткостью от 1,5 до 12,4 мг-экв/л, на рабочих и статорных лопатках компрессора, где температура воздуха достигает температуры испарения воды, а также на внутренних частях камеры сгорания, форсунках и элементах конструкции турбины образуются солевые отложения (рис. 22). Увеличение объёма воды, проходящей через двигатель, и её жёсткости приводит к устойчивой тенденции ухудшения газодинамических параметров двигателя.
Рис. 22. Солевые отложения на рабочих лопатках компрессора
Вдобавок к характерным повреждениям компрессора ГТД на последних сериях двигателей семейства CFM56 (CFM56-5B и CFM56-7B) в процессе эксплуатации выявлено характерное им повреждение, связанное с задеванием ротора КВД о элементы статорной части. Потенциальная область контакта располагается в зонах между ободом переднего барабана-диска и бандажными сегментами лопаток НА второй ступени. Такая же область располагается между ободом диска и бандажными сегментами НА третей ступени, а также между бандажными сегментами НА третей ступени и ободом заднего барабана-диска четвёртой ступени (рис. 23).
Причинами вероятного контакта «ротор-статор» в этих зонах являются относительно маленькие осевые зазоры между вращающими и неподвижными частями компрессора, а также износ внутренних втулок поворотных лопаток направляющего аппарата второй и третей ступени (рис. 24 а). В результате износа втулок поворотных лопаток второй и третьей ступени возникает возможность осевого
Рис. 23. Потенциальные зоны вероятного контакта «ротор-статор»
перемещения всего направляющего аппарата. При этом происходит касание бандажных сегментов о полки рабочих лопаток и касание полуколец сотовых уплотнений с выступом обода диска (рис. 24 б).
Рис. 24. Взаимодействующие элементы конструкции проточной части двигателя
В результате касания при работающем двигателе в зоне контакта происходит взаимный износ деталей, что приводит к последующему повреждению сотового уплотнения и в дальнейшем к разрушению его полуколец, которые, попадая в проточную часть двигателя, повреждают элементы конструкции последующих ступеней (рис. 25).
Рис. 25. Повреждения элементов проточной части компрессора в результате их касания при работающем двигателе: а, б – чрезмерный износ или отсутствие сотового покрытия воздушного уплотнения; в – механическое повреждение загнутой кромки (в зарубежной практике называется «джэй-хук») полукольца сотового уплотнения; г – износ верхнего выступа бандажного сегмента и J-hook’а; д – повреждения рабочих лопаток компрессора, вследствие попадания разрушенных элементов в проточную часть двигателя
За всю историю существования двигателей семейства CFM56 в эксплуатации возникало 34 подобных случая, при этом 8 из них повлекли за собой выключение двигателя в полёте, 16 привели к помпажированию, а остальные 10 были выявлены в процессе проведения запланированных работ по ТО.
По поводу случившихся инцидентов завод изготовитель двигателей выпустил ряд бюллетеней. Первый был выпущен в 2004 году и обязывал эксплуатантов после 24 000 часов наработки осуществлять периодический визуальный осмотр, либо менять внешние и внутренние втулки регулируемых лопаток на новые. В последнем выпущенном бюллетене завод производитель предоставляет стандарты по осуществлению визуального осмотра двигателя CFM56-7B и рекомендации по замене существующих деталей, на детали из более прочного материала.