Особенности напорных характеристик двигателей ТВ3-117 с повышенной температурой газов

Полный текст

Условия и методы исследования

Исследования проводились при прохождении преддипломной практике на Уральском заводе гражданской авиации. По делам ремонта двигателей собиралась статистика для дальнейшей её обработки. В качестве объекта исследования был выбран вертолетный двигатель ТВ3-117. На рис. 1 представлена статистика за 2015-2020 год.

Рис. 1 - Динамика проявления дефекта повышенная температура газов за турбиной за 6 лет.

По данным диаграммы видим рост процента снятых с испытаний двигателей до 2018 года. В 2018  году введена экспертная оценка и корректировка комплектования двигателей  техническими руководителями. Что позволило снизить процент снятых с испытаний двигателей. 

Весь указанный период ремонта (до 2019г) проводился поиск оптимального сочетания в компрессоре и турбинах лопаток 1 категории и ремонтных. Целью данной работы была минимизация затрат на сборку двигателя при исключении повторных испытаний. В результате - в 2019 году разработана технологическая инструкция (ТИ) на комплектование двигателей ТВ3-117 для исключения проявления дефекта повышенная температура газов за турбиной.

В 2020 году общее количество отстранений двигателей по дефекту снижено, но процент повторных съемов значительный и составляет почти 5%.

Казалось, что цель практически достигнута. Однако, в октябре 2021 года по непонятной причине “горячих” двигателей, превышающих температуру газов за турбиной, стало больше.

Для анализа причин появления “горячих” двигателей необходимо изучить несколько групп исправных двигателей и выяснить, как  изменялись их дроссельные и напорные характеристики.

Были рассмотрены 3 группы двигателей:

- двигатели, которые были собраны и прошли испытания в 2018 году;

- двигатели, которые были собраны в 2021 году и прошли испытания до октября 2021 года;

- двигатели, собранные в соответствии с технологической инструкцией и прошли испытания после октября 2021 года.

Также были рассмотрены два двигателя не прошедших испытания по дефекту повышенная температура газов за турбиной после октября 2021 года.

Ещё на заводе было  принято решение  провести сравнение двух стендов на точность измерения т.к. точность измерения всех параметров двигателя определяет точность построения дроссельных и напорных характеристик. Были произведены испытания на двух стендах для двух двигателей.

Результаты и их обсуждения

Из анализа характеристик двигателей прошедших испытания с первого раза (рис. 2) можно отметить:

- для двигателей 2021г. диапазон изменения параметров для всех характеристик существенно  расширился, и линии рабочих режимов расширилась более, чем в 2 раза;

- для двигателей 3 ред. диапазон для линии рабочих режимов сместился вниз, а диапазон для зависимости расхода воздуха от оборотов турбины компрессора вверх, относительно диапазона для двигателей 2018г. Это говорит о том, что на данных двигателях увеличился приведенный расход воздуха. На напорной характеристике положение линии рабочих режимов (ЛРР) определяется в результате действия разнонаправленных факторов: ЛРР движется вдоль линии n_ткпр=const  в результате повышенной Т_Г (Температура газов) - в сторону границы устойчивой работы; ЛРР смещается вниз (в сторону меньшей степени повышения давления и больших приведенных расходов воздуха) - в результате регулировки НАК (Направляющий аппарат компрессора). Регулировка НАК проводится с целью снижения частоты вращения турбокомпрессора до значений, заданных в ТУ (Тех. условия). Регулировка НАК на раскрытие приводит к увеличению приведенного расхода воздуха и снижению степени повышения давления по линии n_ткпр=const. Это приводит к увеличению потребной мощности компрессора («затяжеляет» компрессор), что нарушает баланс мощностей  между турбиной и компрессором и, в результате, снижает частоту вращения турбокомпрессора.

Рис. 2 – Дроссельные характеристики двигателей прошедших испытания с первого раза.

Так же был проведен анализ двигателей, не прошедших испытания из-за дефекта повышенная температура газов за турбиной (рис. 3.). При проведении первого испытания, из-за  повышенных значений  температуры Tг, с  параметрами двигателя происходили следующие изменения: система регулирования двигателя при недостаточной мощности турбины, повышает расход топлива, для того чтобы увеличить мощность турбины, из-за этого  и (обороты турбокомпрессора) повышается, чтобы снизить  производится регулировка НАК. Но данные мероприятия не дали результата, и двигатель был снят с испытаний из-за дефекта «повышенная температура газов». На втором испытании, из-за произведенной регулировки НАК,  линия рабочих режимов сместилась ниже относительно предыдущей, что приводит к снижению (степень сжатия компрессора). Для того чтобы уменьшить , была выполнена регулировка НАК. Также была выполнена замена жаровой трубы на жаровую трубу первой категории. Дроссельные характеристики двигателя стали лучше,  но дефект «повышенная температура газов» остался, из-за чего двигатель был снят с испытаний повторно. Перед третьим испытанием было принято решение улучшить компрессор, в результате чего  произведен 100% подмес лопаток 1 категории в 1,2,11,12 ступень, ступени с 3 по 10 скомплектовали в строгом соответствии с ТИ. Скомплектовали поворотные лопатки направляющего аппарата НА 2 и 3 ступени 1 категории в количестве 30 штук на каждую ступень. Остальные лопатки 1-4 ступени скомплектовали второй категории без отклонений. Также была установлена жаровая труба 2 категории. Произведена регулировка НАК на раскрытие. После всех изменений двигатель прошел испытания и сдан в эксплуатацию.

Рис. 3 – Характеристики двигателей непрошедших испытания с первого раза.

После изучения двигателей непрошедших и прошедших испытания с первого раза на заводе было  принято решение  провести сравнение двух стендов на точность измерения т.к. точность измерения всех параметров двигателя определяет точность построения дроссельных и напорных характеристик. Были произведены испытания на стендах для двух двигателей (рис. 4). По данным графикам можно сделать вывод, что разница  показаний есть в замере  расхода воздуха до 3,3%. Остальные параметры не несут существенных различий.

Рис. 4 – Характеристики двигателей на двух разных стендах.

Проанализируем все результаты, полученные на предприятии. После первых испытаний выявлено, что происходит рост Т_г. На заводе принимается решение о замене  лопаток компрессора первой категории по тех. инструкции, вследствие чего изменяют его π_к. Это в свою очередь оказывает влияние на изменение дроссельных характеристик снятых с двигателя. Из-за внесения конструктивных изменений в узел  компрессора, происходит  увеличение π_к. Увеличивается π_т (степень расширения в турбине), а это в свою очередь больше сказывается на последних ступенях турбины [1], следовательно в данном двигателе большее влияние оказывается на свободную турбину, но все мероприятия по улучшению существенно влияют на компрессор и камеру сгорания. Эти мероприятия должны были привести к увеличению мощности свободной турбины, но этого увеличения π_т  недостаточно, для увеличения мощности свободной турбины. Вследствие этого система регулирования по-прежнему увеличивает подачу топлива и из-за этого идёт превышение температуры.

Заключение

Проанализировав все данные, полученные на заводе, можно сказать, что проявление дефекта повышенная температура газов происходит из-за различных факторов. Они в свою очередь оказывают влияние на напорные  дроссельные характеристики ГТД. Все мероприятия, влияющие на работу двигателя, выполнялись строго по тех. инструкции, следовательно для того чтобы уменьшить повторные съемы с испытаний по дефекту «Т_Г не в ТУ», нужно усовершенствовать методику подбора деталей.

Так же необходимо ужесточить требования,  предъявляемые к свободной турбине:

- ввести ограничение на количество лопаток с отклонениями на 3 и 4 ступени турбины.

- Разработать мат. модель для уменьшения двигателей с повторными испытаниями.

- Ввести работу по промеру площади проходного сечения сопловых аппаратов согласно требованиям РКР (Руководство по капитальному ремонту).

- Усовершенствовать систему измерения расхода воздуха на испытательных стендах.

Благодарности

Выражаем огромную благодарность предприятию АО "УЗГА" за предоставленную информацию.

Доцентам кафедры ЭАТ Кажаеву В.П. и Киселеву Ю.В. за помощь в написании данной статьи.

Об авторах

Андрей Дмитриевич Киселев

Автор, ответственный за переписку.
Email: amfibiya1999@mail.ru

Никита Алексеевич Кельгин

Email: n.kelgin353@mail.ru
Россия

Владимир Петрович Кажаев

Email: ooo-skn.samara@mail.ru

Список литературы

Дополнительные файлы