Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫЙ ЭТИМ СПОСОБОМ

Изобретение относится к области авиадвигателестроения а именно, к авиационным газотурбинным двигателям.

Известен двухконтурный, двухвальный газотурбинный двигатель (ГТД), включающий турбокомпрессорные комплексы, один из которых содержит установленные на одном валу компрессор и турбину низкого давления, а другой содержит аналогично объединенные на другом валу, соосном с первым, компрессор и турбину высокого давления, промежуточный разделительный корпус между упомянутыми компрессорами, наружный и внутренние контуры, основную и форсажную камеры сгорания, камеру смешения газовоздушных потоков рабочего тела и регулируемое сопло (Н.Н. Сиротин и др. Основы конструирования производства и эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок в системе CALS технологий. Книга 1. Москва, изд. «Наука», 2011 г., стр.41-46, рис.1.24).

Известен турбореактивный двигатель, который выполнен двухконтурным, содержит корпус, опертые на него компрессоры и турбины, охлаждаемую камеру сгорания, топливно-насосную группу, реактивные сопла, а также систему управления с командными и исполнительными органами (Шульгин В.А., Гайсинский С.Я. Двухконтурные турбореактивные двигатели малошумных самолетов. М., изд. Машиностроение, 1984, стр.17-120).

Известен способ разработки и испытаний авиационных двигателей типа турбореактивных, включающий отработку заданных режимов, контроль параметров и оценку по ним ресурса и надежности работы двигателя. С целью сокращения времени испытаний при доводке двигателей 10-20% испытания проводят с температурой газа перед турбиной, превышающей максимальную рабочую температуру на 45-65°C (SU 1151075 А1, опубл. 10.08.2004).

Известен способ испытаний турбореактивного двигателя, заключающийся в создании на входе в двигатель неравномерности потока воздуха путем установления сеток во входном канале для определения границы устойчивой работы компрессора. Для введения компрессора двигателя в помпаж требуется набор сеток, которые устанавливаются во входной канал, поочередно плавно увеличивая неравномерность, что приводит к увеличению количества запусков и времени для установки сеток во входной канал (Ю.А. Литвинов, В.О. Боровик. Характеристики и эксплуатационные свойства авиационных турбореактивных двигателей. Москва: Машиностроение, 1979, 288 с, стр.13-15).

Известен стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, который дополнительно оборудован регулируемым нагревателем, вторым рекуперативным теплообменником, теплообменником-охладителем и регулируемым интерцептором, выполненным в виде корпуса с центральным каналом для прохода газа и расположенными по образующей корпуса сквозными отверстиями, соединенными с атмосферой через управляемые клапаны. Регулируемый интерцептор установлен на входе в компрессор испытуемого турбокомпрессора (RU 2199727 С1, 27.12.2004).

Известен способ эксплуатации и ремонта газотурбинного двигателя по техническому состоянию. В основу эксплуатации двигателя по техническому состоянию положено техническое диагностирование как средство получения объективной информации о состоянии конкретного двигателя. Это означает, что реальное техническое состояние практически всех узлов, агрегатов и систем двигателя с определенной периодичностью и точностью можно оценить по изменению их параметров. (Н.Н. Сиротин и др. Основы конструирования производства и эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок в системе CALS технологий. Книга 1. Москва, изд. «Наука», 2011 г., стр.44-50).

Недостатками указанных известных технических решений являются повышенная трудо- и энергоемкость испытаний, выполняемых известными способами, и, как следствие, недостаточно высокая надежность оценки важнейших параметров двигателя в широком диапазоне режимов и условий эксплуатации. Наиболее существенным из указанных недостатков является необходимость многократного останова двигателя в процессе испытаний и многократной замены интерцепторов с различной аэродинамической прозрачностью, создающих ту или иную степень аэродинамических помех и снижения или увеличения потока воздуха, поступающего в испытуемый двигатель. Известная технология испытаний приводит к необходимости многократных запусков двигателя в процессе испытания и связана с пережогом топлива и непроизводительными затратами времени и труда испытателей.

Задача группы изобретений, связанных единым творческим замыслом, заключается в разработке способа эксплуатации газотурбинного двигателя и выполненного заявляемым способом ГТД, совокупность технических решений которых обеспечивает возможность оптимального регулирования допустимой тяги в полном диапазоне газодинамической устойчивости работы компрессора без вхождения двигателя в помпаж, а также в упрощении технологии и сокращении трудозатрат и энергоемкости процесса испытания ГТД на этапе эксплуатации при повышении достоверности определения границ допустимого диапазона варьирования тяги.

Поставленная задача решается тем, что в способе эксплуатации газотурбинного двигателя, согласно изобретению, перед каждым запуском двигателя, выполненного двухконтурным, двухвальным, осуществляют проверку готовности двигателя к работе, производят запуск, прогрев и вывод двигателя на рабочие режимы, предусмотренные регламентом, останов двигателя, периодически производят профилактические осмотры и обслуживание модулей, узлов и коммуникационных систем, включая компрессор низкого давления (КНД) с входным направляющим аппаратом (ВНА), промежуточные направляющие и выходной спрямляющий аппараты; узлы газогенераторора - компрессор высокого давления (КВД); соединяющий указанные компрессоры промежуточный корпус (ПК); производят осмотр корпуса основной камеры сгорания (ОКС) и при необходимости осмотр корпуса и системы форсунок жаровой трубы ОКС; а также осмотр состоящего, предпочтительно, из шестидесяти четырех трубчатых блок-модулей кольцевого воздухо-воздушного теплообменника (ВВТ); периодически осматривают турбину высокого давления (ТВД), имеющую сопловый аппарат, ротор с валом и не менее чем одно рабочее колесо; производят осмотр опор двигателя, осмотр турбины низкого давления (ТНД), а также осматривают смеситель, фронтовое устройство (ФУ) и корпус форсажной камеры сгорания (ФК), реактивное сопло (PC); коробку приводов сервисных двигательных агрегатов (КДА); осматривают и при необходимости тестируют электрическую, воздушную, гидравлические топливную и масляную системы, кроме того периодически проверяют состояние командных блоков, исполнительных механизмов и кабелей систем мониторинга и автоматического управления двигателем; периодически выполняют предусмотренные регламентом текущие, а также, по меньшей мере, один капитальный ремонт, в процессе которого производят внешний осмотр и установку двигателя на испытательный стенд, проверку наличия дефектов и перемещение двигателя в сборочный цех, в котором производят демонтаж наружных коммуникаций и разборку двигателя на функциональные модули, узлы и сборочные единицы; разборку, промывку, контроль состояния и дефектацию модулей, узлов и деталей, направление на механосборочные/механические посты с выполнением восстановительного ремонта, констуктивно-технологической доработки или постдефектационной замены деталей на новые; комплектование прошедших ремонт и новых деталей и сборочных единиц, сборку и цеховые испытания узлов, модулей и сборку двигателя; на завершающей стадии капитального ремонта после сборки двигатель подвергают стендовым испытаниям, при необходимости производят послеремонтную доводку, в процессе которой выполняют испытания отремонтированного двигателя, по меньшей мере, на газодинамическую устойчивость, для этого испытуемый двигатель размещают на стенде с входным аэродинамическим устройством, которое снабжено регулируемо пересекающим воздушный поток, преимущественно, дистанционно управляемым выдвижным интерцептором с отградуированной шкалой положений интерцептора в потоке воздуха, подаваемого в двигатель, имеющей фиксированную критическую точку, отделяющую двигатель на 2-5% от перехода в помпаж; повторяют испытания на определенном по регламенту наборе режимов, соответствующих режимам, характерным для последующей реальной работы ТРД в полетных условиях; экспериментально подтверждают область газодинамической устойчивости работы и, по меньшей мере, в режиме с наименьшим запасом газодинамической устойчивости выполняют встречную приемистость по регламенту: выдержка на максимальном режиме, сброс частоты вращения путем установки рычага управления двигателем в положение «малый газ», и при достижении значения частоты вращения, соответствующего значению отрабатываемой неравномерности, выполняют приемистость двигателя на максимальный режим путем перевода рычага управления двигателем в положение «максимальные обороты» и определяют запасы газодинамической устойчивости компрессора двигателя.

При запуске двигателя в ремонт и подготовке деталей к нанесению восстановительных покрытий выполняют химическую, ультразвуковую промывку и/или пескоструйную обработку деталей, микрометрические обмеры и определение прочности неразрушающими видами контроля и выбраковку дефектных деталей.

В процессе капитального ремонта двигателя нанесение на детали восстановительных покрытий выполняют при необходимости вариантно хромированием, цинкованием, кадмированием, меднением, оксидированием, алитированием, оксидным фосфатированием, серебрением, химическим никелированием, пассивированием и/или нанесением лакокрасочных покрытий.

Нанесение на детали восстановительных покрытий в процессе капитального ремонта для повышения износостойкости поверхностей восстанавливаемых деталей при необходимости вариантно выполняют электроискровым легированием поверхностей, детонационным или плазменным напылением порошковых композитов.

После капитального ремонта испытания ГТД на газодинамическую устойчивость (ГДУ) производят на стенде, имеющем входное аэродинамическое устройство, снабженное выдвижным, преимущественно, дистанционно управляемым интерцептором, регулируемо пересекающим воздушный поток, подводят к двигателю и создают на входе неравномерность воздушного потока, затрудняющую подачу воздуха, и доводят двигатель до помпажа, фиксируют границу устойчивой работы двигателя, засекая при появлении признаков помпажа отметку критического положения интерцептора, при этом не доводят двигатель до останова; градуируют шкалу положений интерцептора, соответствующих росту неравномерностей в аэродинамическом потоке и снижению поступления потока в двигатель в долях от критического помпажного значения, затем по результатам определения границы устойчивой работы компрессора испытуемого двигателя определяют для одного, а при необходимости последовательно для выбранного объема репрезентативных режимов пограничную и промежуточные неравномерности, которые задают путем последовательного установления выдвижного интерцептора в положения, соответствующие определенной неравномерности потока, и при положениях, последовательно приближенных к критическому, выполняют встречную приемистость по регламенту: выдержка на максимальном режиме, сброс частоты вращения путем установки рычага управления двигателем в положение «малый газ», и при достижении значения частоты вращения, соответствующего значению отрабатываемой неравномерности, выполняют приемистость отремонтированного двигателя на максимальный режим путем перевода рычага управления двигателем в положение «максимальные обороты» и определяют запасы по газодинамической устойчивости компрессора двигателя.

При необходимости выполнения повторных статистических испытаний на ГДУ после капитального ремонта проверку газодинамической устойчивости работы двигателя вариантно производят в ускоренном цикле испытаний на режиме или режимах с заданием уровня неравномерности и общего снижения поступления воздушного потока в двигатель, максимально приближенных к критическому помпажному уровню с сокращением или исключением промежуточных режимов.

Поставленная задача в части газотурбинного двигателя решается тем, что газотурбинный двигатель, согласно изобретению, выполнен описанным выше способом.

Технический результат, обеспечиваемый группой изобретений, связанных единым творческим замыслом, состоит в разработке способа эксплуатации газотурбинного двигателя с улучшенными эксплуатационными характеристиками и более надежным определением границ возможного варьирования тяги в пределах допустимого диапазона газодинамической устойчивости работы компрессора.

Это достигается за счет применения в двигателе разработанной в изобретении совокупности основных процессов с техническими решениями регулирования подачи воздуха без введения двигателя в помпаж, которые проверены предложенной в изобретении системой испытаний на газодинамическую устойчивость компрессора с упрощенной технологией и сокращением трудо- и энергоемкости испытаний. Предложенная система построена на применении выдвижного интерцептора с регулированием подачи воздуха без останова процесса испытания, а также разработанной градуированной шкалы выдвижения интерцептора в воздушный поток, поступающий в двигатель. Выдвижной интерцептор обеспечивает создание процентно выверенного снижения поступления воздуха и создаваемой неравномерности потока до граничного значения, при котором сохраняется газодинамическая устойчивость. Технология испытания на этапе эксплуатации по настоящему изобретению обеспечивает возможность надежного определения экспериментально подтверждаемого запаса газодинамической устойчивости. Применение изобретения открывает возможность обеспечить по предложенной системе работу двигателя в допустимом диапазоне ГДУ на новом, более высоком уровне надежности и эксплуатации с лучшим качеством.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображен газотурбинный двигатель, продольный разрез;

на фиг.2 - входное устройство аэродинамической установки для испытаний двигателя, снабженной интерцептором, вид сбоку;

на фиг.3 - разрез по А-А на фиг.2, где Н_и - высота интерцептора, D_кан - диаметр канала входного устройства.

Способ эксплуатации газотурбинного двигателя осуществляется следующим образом.

Перед каждым запуском газотурбинного двигателя (ГТД), выполненного двухконтурным, двухвальным, осуществляют проверку готовности двигателя к работе. Производят запуск, прогрев и вывод двигателя на рабочие режимы, предусмотренные регламентом, и затем останов двигателя. Периодически производят профилактические осмотры и обслуживание модулей, узлов и коммуникационных систем, включая компрессор низкого давления (КНД) с входным направляющим аппаратом (ВНА) 2, промежуточные направляющие 3 и выходной спрямляющий аппараты 4; узлы газогенераторора - компрессор высокого давления (КВД) 5; соединяющий указанные компрессоры промежуточный корпус (ПК); производят осмотр корпуса основной камеры сгорания (ОКС) 6 и при необходимости осмотр корпуса и системы форсунок жаровой трубы ОКС; а также осмотр состоящего, предпочтительно, из шестидесяти четырех трубчатых блок-модулей кольцевого воздухо-воздушного теплообменника (ВВТ) 7; периодически осматривают турбину высокого давления (ТВД) 8, имеющую сопловый аппарат, ротор 9 с валом и не менее чем одно рабочее колесо; производят осмотр опор двигателя, осмотр турбины низкого давления (ТНД) 10, а также осматривают смеситель, фронтовое устройство (ФУ) и корпус форсажной камеры сгорания (ФК), реактивное сопло (PC) 11; коробку приводов сервисных двигательных агрегатов (КДА); осматривают и при необходимости тестируют электрическую, воздушную, гидравлические топливную и масляную системы.

Кроме того периодически проверяют состояние командных блоков, исполнительных механизмов и кабелей систем мониторинга и автоматического управления двигателем. Периодически выполняют предусмотренные регламентом текущие, а также, по меньшей мере, один капитальный ремонт, в процессе которого производят внешний осмотр и установку двигателя на испытательный стенд, проверку наличия дефектов и перемещение двигателя в сборочный цех, в котором производят демонтаж наружных коммуникаций и разборку двигателя на функциональные модули, узлы и сборочные единицы; разборку, промывку, контроль состояния и дефектацию модулей, узлов и деталей, направление на механосборочные/механические посты с выполнением восстановительного ремонта, конструктивно-технологической доработки или постдефектационной замены деталей на новые; комплектование, прошедших ремонт и новых деталей и сборочных единиц, сборку и цеховые испытания узлов, модулей и сборку двигателя.

На завершающей стадии капитального ремонта после сборки двигатель подвергают стендовым испытаниям, при необходимости производят послеремонтную доводку, в процессе которой выполняют испытания отремонтированного двигателя, по меньшей мере, на газодинамическую устойчивость. Для этого испытуемый двигатель размещают на стенде с входным аэродинамическим устройством 12, которое снабжено регулируемо пересекающим воздушный поток, преимущественно, дистанционно управляемым выдвижным интерцептором 13 с отградуированной шкалой положений интерцептора в потоке воздуха, подаваемого в двигатель, имеющей фиксированную критическую точку, отделяющую двигатель на 2-5% от перехода в помпаж. Подводят к двигателю и создают на входе неравномерность воздушного потока, затрудняющую подачу воздуха, и доводят двигатель до помпажа, фиксируют границу устойчивой работы двигателя, засекая при появлении признаков помпажа отметку критического положения интерцептора 13, при этом не доводят двигатель до останова; градуируют шкалу положений интерцептора 13, соответствующих росту неравномерностей в аэродинамическом потоке и снижению поступления потока в двигатель в долях от критического помпажного значения, затем по результатам определения границы устойчивой работы компрессора испытуемого двигателя определяют для одного, а при необходимости последовательно для выбранного объема репрезентативных режимов пограничную и промежуточные неравномерности, которые задают путем последовательного установления выдвижного интерцептора 13 в положения, соответствующие определенной неравномерности потока, и при положениях, последовательно приближенных к критическому, выполняют встречную приемистость по регламенту: выдержка на максимальном режиме, сброс частоты вращения путем установки рычага управления двигателем в положение «малый газ», и при достижении значения частоты вращения, соответствующего значению отрабатываемой неравномерности, выполняют приемистость отремонтированного двигателя на максимальный режим путем перевода рычага управления двигателем в положение «максимальные обороты» и определяют запасы по газодинамической устойчивости компрессора двигателя.

При необходимости выполнения повторных статистических испытаний на ГДУ после капитального ремонта проверку газодинамической устойчивости работы двигателя вариантно производят в ускоренном цикле испытаний на режиме или режимах с заданием уровня неравномерности и общего снижения поступления воздушного потока в двигатель, максимально приближенных к критическому помпажному уровню с сокращением или исключением промежуточных режимов.

При запуске двигателя в ремонт и подготовке деталей к нанесению восстановительных покрытий выполняют химическую, ультразвуковую промывку и/или пескоструйную обработку деталей, микрометрические обмеры и определение прочности неразрушающими видами контроля и выбраковку дефектных деталей.

В процессе капитального ремонта двигателя нанесение на детали восстановительных покрытий выполняют при необходимости вариантно хромированием, цинкованием, кадмированием, меднением, оксидированием, алитированием, оксидным фосфатированием, серебрением, химическим никелированием, пассивированием и/или нанесением лакокрасочных покрытий.

Нанесение на детали восстановительных покрытий в процессе капитального ремонта для повышения износостойкости поверхностей восстанавливаемых деталей при необходимости вариантно выполняют электроискровым легированием поверхностей, детонационным или плазменным напылением порошковых композитов.

Газотурбинный двигатель выполнен описанным выше способом.

Пример реализации испытания газотурбинного двигателя.

На стадии эксплуатации после сборки испытанию подвергают газотурбинный двигатель с минимальной проектной газодинамической устойчивостью на частоте вращения ротора 0,8 Макс, где Макс - максимальные допустимые обороты ротора данного двигателя.

Устанавливают двигатель на испытательном стенде и сообщают с входным аэродинамическим устройством 12 через фланец 14. Устройство 12 снабжено регулируемо-управляемым выдвижным интерцептором 13, установленным с возможностью пересечения подаваемого в двигатель воздушного потока. Интерцептор 13 выполнен с возможностью создания неравномерности и регулирования количества поступающего в двигатель воздуха в интервале от 0 до 100% путем нулевого, промежуточного или полного перекрытия площади рабочего сечения входного аэродинамического устройства 12. Для этого интерцептор 13 снабжен электроприводом, содержащим приводной шток 16 с гидроцилиндром, и шкалой выдвижения интерцептора, отградуированной с шагом в 1% от площади входного сечения воздушного потока, подаваемого в двигатель.

Выводят испытуемый ГТД на режимы вращения ротора от «малого газа» (МГ) до Макс с шагом изменения оборотов от режима к режиму 0,05 Макс и с последовательной итерацией к границе потери газодинамической устойчивости. Для этого на каждом из режимов последовательно выдвигают интерцептор 13 в сечение воздушного потока с шагом (1-5)% от площади указанного сечения, доводя до признаков появления помпажа. В результате данного этапа испытания определяют граничное значение частоты вращения ротора с минимальным запасом газодинамической устойчивости, составляющее 0,8 Макс при выдвижении интерцептора 13 на 73%.

Затем путем обратного перемещения интерцептора 13 в интервале до 7% от максимального положения, при котором произошел срыв в помпаж с потерей газодинамической устойчивости, устанавливают, что при смещении интерцептора 13 на 5% признаки помпажа отсутствуют, двигатель работает устойчиво.

Проводят анализ результатов испытаний, принимая во внимание, что результирующие испытания выполнены без срыва в помпаж при максимальном введении интерцептора 13 на оборотах ротора, создающих минимальный запас устойчивости, устанавливают границу газодинамической устойчивости работы данного типа ГТД в полном диапазоне рабочих оборотов ротора двигателя.

Изобретение позволяет улучшить эксплуатационные характеристики и обеспечить более надежное определение границ возможного варьирования тяги в пределах допустимого диапазона газодинамической устойчивости работы газотурбинного двигателя.