Камера сгорания и топливные форсунки
Типичными повреждениями камеры сгорания являются повреждения термического и усталостного происхождения. Основными причинами повреждений являются:
высокий уровень температурных нагрузок;
высокий уровень вибрационных нагрузок.
Усталостные трещины располагаются в районах сварных швов корпуса, фланцев для отбора воздуха на различные нужды систем ЛА, бобышек для крепления агрегатов. Они возникают от действия вибрационных нагрузок при повышенных статических нагрузках (рис. 26). Повышенные статические нагрузки наводятся при монтаже и изменяют расчётный характер нагружения корпусов камеры сгорания при работе двигателя.
Рис. 26. Трещина корпуса камеры сгорания в осевом направлении
Нарушение характеристик распыла форсунок вследствие закопчённости и закоксовывания вызывает местный перегрев стенок камеры сгорания и жаровой трубы. Это приводит к выпучиванию, короблению, растрескиванию, повышенному окислению материала стенки КС и ЖТ (рис.27). Ухудшение распыла топлива форсунками из-за отложения нагара или засорения (рис. 28) является причиной значительной неравномерности температурного поля перед турбиной.
Рис. 27. Характерные повреждения стенок жаровой трубы: а – прогар и коробление внутренней стенки ЖТ; б – коробление и трещина наружной стенки, проходящая через все панели ЖТ.
Рис. 28. Отложение нагара на диффузорах форсунок КС
В силу своих конструктивных особенностей ЖТ двигателей семейства CFM56 в процессе эксплуатации подвергаются таким характерным повреждениям, как прогар и частичная потеря материала дефлектора фронтового устройства КС (рис. 29).
Рис. 29. Состояния дефлекторов фронтовых устройств КС: а – состояние дефлектора, подверженного газовой эрозии; б – обгорание и утеря кромок дефлектора; в – исходное состояние дефлекторов ФУ КС, не побывавшей в эксплуатации
В случаях попадания в проточную часть двигателя птицы или иных посторонних предметов требованиями технической эксплуатации двигателя установлена необходимость проверки посадки ЖТ на топливные форсунки, которые обеспечивают поддержку ЖТ в передней плоскости [4]. При этом, в результате ударного воздействия посторонних предметов с ЖТ возможно её смещение (рис. 30), что так же не допустимо, так как это приведёт к работе КС в нерасчётном режиме, что, в общем, неблагоприятно сказывается на её ресурсе.
В соответствии с программой ТО через определённое количество часов наработки или совершённых циклов осуществляется периодический визуальный осмотр и оценка внутреннего технического состояния КС. По сравнению полученных в ходе осмотра данных с требуемыми допусками, которые прописаны в соответствующих по узлам разделах AMM, принимается решение о его дальнейшей эксплуатации или проведении надлежащего ремонта.
Рис. 30. Схема возможных посадок ЖТ на топливные форсунки [4]
Турбина
Рабочие лопатки турбины современных ГТД, работая в условиях сложного совместного действия статических, термоциклических и динамических нагрузок, подвергаются неизотермическому нагружению при достижении экстремальных температур в цикле нагружения. Это способствует появлению в материале обширных областей, охваченных циклическими пластическими деформациями, в которых исходные деформационные и прочностные свойства материала претерпевают значимые изменения. Этим во многом объясняются повреждения, переходящие в трещины и разрушения колёс и лопаток турбины. Основными причинами повреждений являются:
высокий уровень температурных нагрузок;
высокий уровень вибрационных нагрузок;
высокий уровень изотермических и неизотермических нагрузок;
высокий уровень динамических нагрузок;
длительные статические нагрузки.
Под влиянием повышенных термических напряжений и повышенных температур, по сравнению с номинальными значениями, в определённых условиях возникают следующие термические повреждения: перегрев материала элементов конструкции; обгорание пера лопатки; вытяжка рабочих лопаток турбины; трещины ползучести; повышенная степень окисления; растрескивание и прогар кромок лопаток (рис. 31).
Рис. 31. Типичные повреждения элементов конструкции турбины: а – эрозионный износ передних кромок лопаток турбины вулканическим пеплом; б – нарост вулканического пепла на торце рабочей лопатки турбины; в – образование термальных пузырей и закупорка отверстий для прохода охлаждающего воздуха; г – обрыв рабочей лопатки турбины в результате роста усталостной трещины до критического значения; д – обгорание рабочих лопаток ТНД; е – трещина ползучести и окисление материала рабочей лопатки ТНД
Повреждения от действия вибрационных нагрузок встречаются на всех типах ГТД, эксплуатирующихся в разных странах мира. Эти повреждения связаны с повышенным уровнем переменных напряжений, возникающих в деталях при их колебаниях, с качеством изготовления и режимом нагружения. Режим нагружения оказывает влияние как на предел усталости, так и на термоциклическую долговечность.
Изотермические и неизотермические режимы нагружения оказывают существенное влияние на возникновение повреждений малоцикловой усталости. Малоцикловое неизотермическое нагружение деталей горячей части ГТД характеризуется существенной нестационарностью. Эта нестационарность проявляется в изменении нагрузки (размаха напряжений или деформаций), разности температур, длительности цикла и развивающихся деформациях ползучести.
Под действием повышенных динамических нагрузок при наличии концентраторов напряжений, ухудшения физико-механических свойств материала и температурного состояния возникают усталостные повреждения рабочих лопаток турбины и лопаток СА (рис. 32 б). В результате такого воздействия возникают усталостные трещины в пазах замковой части лопаток. В эксплуатации при определённых условиях возможно растрескивание защитного покрытия и создание условий для ускорения коррозии (рис. 32 а).
Рис. 32. Повреждения лопаток СА ТВД двигателя CFM56-5B: а – разрушение защитного покрытия; б – усталостные трещины на внутренней бандажной полке
Под действием длительных статических нагрузок в сочетании с повышенными температурами накапливается деформация горячих статически нагруженных элементов авиадвигателей, по которым можно судить о выработке ресурса (рис. 33).
Рис. 33. Процедура контроля лопаток на предмет наличия остаточной деформации