ЕЩЕ РАЗ О ПЫЛИ.

ВОЗВРАЩАЯСЬ К НАПЕЧАТАННОМУ

 

В номере № 2 журнала "Двигатель" за 2009 г. была опубликована статья Ю.И. Добрякова "Проблемы разработки эффективного вертолетного ГТД". В этой статье рассматривался весьма насущный вопрос о необходимости учета пылевого фактора при разработке новых вертолетных газотурбинных двигателей. Некоторые соображения по этому поводу предложены журналу коллегой Ю.И. Добрякова, Л.С. Рысиным, не один год занимавшимся различными вопросами разработки и эксплуатации вертолетных ГТД.

Лев Самойлович Рысин, ведущий научный сотрудник ЦИАМ, к.т.н.

Проблема защиты от вредного воздействия пыли возникла практически с самого начала использования газотурбинных двигателей на вертолетах. Разрешать ее начали практически одновременно и у нас, и за рубежом. Этому вопросу уделялось большое внимание как в двигательных и вертолетных конструкторских бюро, так и в ЦИАМ. В частности, в ЦИАМ были проведены специальные расчетные и экспериментальные исследования воздействия пыли на работоспособность ступеней осевого и центробежного компрессоров, экспериментально исследовалась эрозионная стойкость защитных покрытий на элементы компрессоров и др. Для освоения методологии создания двигательных пылезащитных устройств (ПЗУ) в институте была создана уникальная экспериментальная установка. По результатам всех этих исследований на московском вертолетном заводе им. М.Л. Миля в содружестве с авиадвигательным ОКБ им. В.Я. Климова было создано пылезащитное устройство "грибкового" типа, эксплуатирующееся на отечественных вертолетах до настоящего времени. Силами тех же коллективов исследовались и условия образования пылевых отложений в проточной части газотурбинного двигателя. Проведенные работы помогли существенно повысить надежность эксплуатации вертолетов и сократить число случаев досрочного снятия двигателей.

В процессе разработки вертолетных газотурбинных двигателей IV поколения, обладающих более напряженными газодинамическими параметрами, создаются компрессоры со значительно более высокими окружными скоростями роторов. Начали применяться новые конструкционные материалы, в частности, композиционные. Выросла и температура газов перед турбиной. Все это ведет к тому, что острота проблем, связанных с наличием пыли, неуклонно возрастает. Появилась реальная опасность образования прочных "стекловидных" отложений пыли на сопловых аппаратах турбины и в камере сгорания. Работа системы охлаждения турбины и особенно ее охлаждаемых рабочих лопаток в условиях запыленного воздуха усложняется.

Исследования по проблемам, связанным с пылью, должны проводиться, главным образом, по следующим направлениям: создание высокоэффективных ПЗУ; разработка стойких к пылевой эрозии конструкционных материалов и покрытий для элементов компрессоров; выработка мероприятий, предотвращающих нарушение процессов равномерного смесеобразования и, как следствие, пылевых отложений в камере сгорания; проектирование пылеустойчивого воздушного охлаждения элементов турбины; принятие мер против образования пылевых отложений в компрессоре и турбине; обеспечение работоспособности топливной и масляной систем двигателя в условиях запыленного воздуха.

К настоящему времени в зарубежных и отечественных ПЗУ достигнут примерно одинаковый уровень эффективности. Так, в ЦИАМ разработана и испытана базовая модель l-образного ПЗУ со степенью очистки в ней (используя стандарты на пыль в США) на взлетном режиме двигателя 97% на пыли типа "С", 86 % на пыли типа "крупная АС" и 65 % на пыли типа "мелкая АС". Потери полного давления - до 100 кгс/м2. Опираясь на конструкцию этой модели, были разработаны предложения по l-образным ПЗУ двигателей ВК-800 и ТВ7-117В, а также по ПЗУ вертолета Ка-226. Известно, что ПЗУ другого типа - циклонного, также устанавливаемое на вертолетах, имеет несколько лучшие показатели сепарации мелких частиц. Однако известны и недостатки этих ПЗУ: отсутствие системы противообледенения, необходимость наличия устройства для перепуска воздуха мимо циклонов при их перекрытии листьями, травой или при обледенении и большие габариты, что делает такие ПЗУ уязвимыми мишенями при боевом применении вертолета - при разрушении циклонов, их осколки могут попадать непосредственно в тракт двигателя. По видимому, в зависимости от назначения вертолета следует применять то или иное ПЗУ.

Работы по повышению уровня сепарации пыли в ПЗУ для защиты новых и перспективных типов двигателей от попадания в них пыли должны продолжаться. Здесь, вероятно, может потребоваться какая-либо двухступенчатая или многоступенчатая очистка воздуха путем комбинации различных типов ПЗУ. В целом же, ПЗУ следует считать важнейшим элементом для сохранения работоспособности вертолетных двигателей при работе в условиях запыленного воздуха.

Важнейшим звеном в рассматриваемой проблеме является эрозионная стойкость компрессора вертолетного двигателя. Применяемые в таких двигателях центробежные компрессоры обладают большей стойкостью к эрозии, чем осевые компрессоры. Экспериментальным путем получены зависимости эрозионного износа компрессоров от количества прошедшей через них пыли, ее состава и относительных скоростей частиц пыли в момент ее удара о поверхности элементов компрессора, что необходимо для оценочных расчетов эрозионного износа компрессора, а также при составлении соответствующих программ испытаний. Однако все данные получены для относительных скоростей частиц, не превышающих при ударении о поверхности газовоздушного тракта двигателя 300 м/с. В разрабатываемых и перспективных вертолетных двигателях эти скорости значительно выше - порядка 400…600 м/с. Поэтому требуются дополнительные экспериментальные исследования для подтверждения ранее полученных зависимостей или их замены новыми.

Важным направлением защиты элементов компрессора от эрозии пылью представляется нанесение на их поверхности эрозионностойких покрытий, создание которых - весьма сложная проблема. Ввиду их малой толщины покрытия должны быть в десятки раз более стойкими к эрозии, чем существующие металлические конструкционные материалы. Кроме того, наносимый слой покрытия должен быть прочным, коррозионностойким, применимым к выбранному для элементов компрессора конструкционному материалу. И это все с учетом применимости метода нанесения покрытий в массовом производстве. К настоящему времени созданы и даже применяются некоторые отечественные покрытия, в частности PRAD Уральского завода гражданской авиации. Однако если даже эти покрытия и отвечают всем вышеперечисленным свойствам, они разрабатывались применительно к окружным скоростям элементов компрессоров двигателей, эксплуатирующихся сегодня.

Для повышения к.п.д. центробежных компрессоров перспективных двигателей предусматривается применение рабочих колес закрытого типа. Отечественный опыт применения закрытых колес в транспортном (наземном) ГТД показал, что в них возникает вероятность образования отложений мелкой пыли под покрывными дисками. Образовавшиеся отложения быстро приводили к сильному ухудшению характеристик компрессора и к помпажу. Это явление было предотвращено выбором соответствующей конструкции покрываемого диска.

Что касается камер сгорания, то работа на запыленном воздухе приводила к образованию отложений и прогарам жаровой трубы. К тому же засорялись топливные форсунки. В результате неравномерность температуры газов за камерой сгорания существенно возрастала, что отрицательно влияло на прочность лопаток турбины. По-видимому, эти негативные явления требуют дополнительной проверки и, если потребуется, введения специальных мероприятий для вновь разрабатываемых и перспективных вертолетных двигателей.

В относительно недалекой перспективе вряд ли удастся отказаться от системы воздушного охлаждения рабочих лопаток турбины при температурах газа на взлетном режиме работы двигателя порядка 1400…1500 °С, хотя принципиальная возможность применения неохлаждаемых керамических лопаток существует. Рассчитывать на применение монокристаллических лопаток без воздушного охлаждения можно лишь до температур 1100…1150 °С. Поэтому организации воздушного охлаждения турбины, особенно рабочих лопаток, на перспективных вертолетных двигателях с высокой температурой газа и при наличии пыли в охлаждаемом воздухе следует уделять повышенное внимание. Для подтверждения работоспособности системы охлаждения на запыленном воздухе могут потребоваться специальные экспериментальные исследования.

Отдельного внимания заслуживает проблема образования прочных "стекловидных" отложений пыли на сопловых аппаратах турбины. На упомянутом транспортном двигателе с максимальной температурой газа порядка 1150 °С эту проблему не удалось решить ни специальным перфорированием сопловых лопаток турбины, ни различными покрытиями лопаток. В проведенных в ЦИАМ экспериментальных исследованиях были определены температурные условия, при которых образуются "стекловидные" отложения. Так лессовая пыль с размерами частиц менее 6 мкм может образовывать отложения при среднемассовых температурах за камерой сгорания выше 900°С. С повышением среднемассовой температуры отложения образуют все более крупные частицы лессовой пыли, и при температуре ~1150 °С уже откладываются частицы с размером 40…70 мкм. А пылинки с размерами более 70 мкм начинают откладываться при температуре около 1200 °С. Подмосковная супесчаная пыль в проведенных экспериментах образовывала "стекловидные" отложения при температурах 1100…1350 °С. Кварцевая пыль до проверенных среднемассовых температур 1350…1370 °С "стекловидных" отложений не образовывала. Однако, как эта пыль поведет себя при более высоких температурах - предсказать нельзя.

На транспортных ГТД реализованным средством предотвращения образования "стекловидных" отложений явилось применение пневматических ударников, бьющих непосредственно по сопловому аппарату с частотой 1 раз в 10 с. Применение такого средства в двигателе авиационного назначения проблематично.

Явление образования "стекловидных" отложений спонтанно. Однако все же вертолетный двигатель работает в условиях запыленного воздуха относительно небольшое, по сравнению с транспортным ГТД, время и это должно оказаться положительным фактором, снижающим (но не исключающим) образование отложений.

Проблемы, связанные с работоспособностью масляных систем и систем регулирования в практике эксплуатации вертолетных двигателей в условиях запыленного воздуха, до сих пор остро не вставали. Тем не менее, при разработке этих систем для перспективных двигателей следует иметь ввиду вероятность воздействия пыли на их работоспособность.

Из всего сказанного следует, что имеющийся опыт и научный задел по пылевой проблеме для вертолетных двигателей недостаточны для разработки двигателей IV поколения. Внимание отечественных разработчиков и заказчиков вертолетных двигателей к пылевой проблеме в последнее время значительно снизилось. Это можно объяснить как сложным для авиационной промышленности периодом, так и сменой старшего поколения разработчиков и заказчиков двигателей более молодым, практически не сталкивавшимся с этой проблемой непосредственно. Следует отметить, что и ЦИАМ следовало бы повысить внимание к проблеме работы вертолетного двигателя на запыленном воздухе. Будем надеяться, что необходимость создания отечественных высокоэффективных, надежных и конкурентоспособных вертолетных двигателей потребует интенсифицировать проведение соответствующих исследований.

В связи с вероятностью возникновения проблем при работе перспективных вертолетных ГТД в условиях запыленного воздуха в статье Ю.И. Добрякова и было высказано предложение о нецелесообразности дальнейшего наращивания параметров термодинамического цикла p*к и Т*г и "стабилизации" их на уровне III поколения вертолетных двигателей. Однако при реализации этого предложения, очевидно, сколько-нибудь значительное улучшение удельных параметров двигателей Ne уд, Се уд, γуд и др. становится нереальным. Таким образом, при создании вертолетных ГТД нового поколения неизбежно будут применены более высокие параметры термодинамического цикла, но при этом должны быть разработаны и внедрены эффективные противопылевые мероприятия в конструкциях двигателей и более совершенные ПЗУ.