|
ИСПЫТАНИЯ АВИАЦИОННЫХ ГТД НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ПЫЛИ (ПЕСКА)
Юрий Иванович Добряков, к.т.н.
Наш журнал уже неоднократно обращался к вопросу защиты газотурбинного (в первую очередь - вертолётного) двигателя от негативного воздействия мелких посторонних частиц (пыли, песка), попадающих на его вход. Мы получаем множество вопросов по теме этих статей. Постоянный автор нашего журнала Ю.И. Добряков любезно согласился осветить отдельные аспекты темы, интересующие наших читателей. [От редакции]
Прежде всего, для того, чтобы говорить о конкретных вещах, мне представляется необходимым различать два вида негативного воздействия пыли (песка) на работоспособность и надежность авиационных ГТД. Первый вид - следствие попадания под действием ветра и накопления пыли (песка) во внутренних полостях неработающего ГТД при стоянке воздушного судна на открытой площадке. Второй вид - эффект от работы ГТД вблизи поверхности земли, а в результате - попадание и движения пыли (песка) вместе с воздухом по проточной части ГТД и по внутренним каналам систем охлаждения, масляной, регулирования, дренажа.
Достаточно очевидно, что заметного негативного эффекта от воздействия первого вида можно ожидать в результате пыльных бурь или длительных стоянок воздушного судна на неподготовленных в отношении пыли (песка) площадках. Анализ этого воздействия должен проводиться на этапах проектирования и доводки двигателя. Результат этого анализа должен отражаться в нормативно-технической документации на двигатель.
Однако до сих пор эти процедуры в практике отечественного авиадвигателестроения не выполнялись. Не проводилось и обобщение фактов по ущербу от первого вида воздействия на характер повреждаемости деталей, надежность и работоспособность двигателя по результатам эксплуатации ГТД.
На уровне экспертной оценки можно ожидать, что воздействие первого вида может привести к нежелательным последствиям:
- локальному накоплению пыли (песка) в проточной части ГТД вблизи ее нижней образующей (следствием чего может быть неудачный запуск двигателя или его повреждение при запуске);
- попаданию пыли (песка) в узлы трения;
- оседанию пыли в дренажных каналах некоторых систем;
- оседанию пыли на рабочих поверхностях датчиков систем регулирования и диагностирования двигателя;
- образованию слоев пыли на внешних поверхностях электронных блоков систем регулирования и диагностирования (следствием чего возможно изменение температурного режима этих блоков).
Естественно, что действительную картину можно выявить только при грамотно поставленных экспериментальных исследованиях. Вероятно, эта картина будет зависеть и от типа ГТД, его конструктивных особенностей и от размерности двигателя.
В 2007 г. впервые (зарубежные аналоги отсутствуют) вступил в действие ГОСТ [1], предписывающий проводить испытание на стойкость от воздействие пыли (песка), в том числе и авиационных ГТД (при неработающем двигателе). С 2010 г. предписывается руководствоваться этим ГОСТ для всех двигателей (в том числе и ранее разработанных) при внесении в их конструкторскую документацию изменений. Предусматривается, что внесение каких-либо изменений в конструкторскую документацию будет сопровождаться одновременно и дополнениями, касающимися пылевых стендовых испытаний.
В материалах этого ГОСТ изложены требования к испытательному стенду, его оборудованию, фракционному и химическому составу испытательной пыли (песку), видам и объему испытаний. Однако эти требования носят достаточно общий характер. Применительно к авиационным ГТД конкретных типов и размерностей необходима их детализация и разработка соответствующих программ испытаний. Представляется, что до сертификационных испытаний потребуется проводить заводские (доводочные) испытания в обеспечение требований по стойкости к воздействию пыли.
Достаточно очевидно, что воздействие второго вида в первую очередь будет значимым для ГТД вертолетов, учебных летательных аппаратов и небольших самолетов местных воздушных линий. Причем, чем выше параметры цикла (степень повышения давления и температура газа - при равной мощности) и уровень скоростей в проточной части, тем более значимым может быть результат воздействия пыли на работоспособность и надежность двигателя. К сожалению, никаких нормативных документов в отношении второго вида воздействия не разработано (в отличие от выше упоминаемого воздействия первого вида).
Существенное воздействие второго вида на работоспособность ГТД было выявлено при эксплуатации вертолетов в период военных действий во Вьетнаме, Ираке и Афганистане, а также в период отработки и эксплуатации танковых ГТД (танка типа Т-80 в СССР и танка типа "Абрамс" в США). Этот опыт, а также опыт эксплуатации стационарных ГТУ и результаты стендовых пылевых испытаний (модельных и натурных) показали, что воздействие второго вида может приводить к следующим последствиям [2]:
-эрозионному износу лопаток компрессора;
-загрязнению транспортных магистралей и теплообменных поверхностей системы воздушного охлаждения деталей "горячей" части;
-загрязнению топливных форсунок и топливного коллектора (следствием чего - прогары жаровой трубы и ухудшение температурного поля на выходе из камеры сгорания);
-образованию стекловидных отложений на сопловых лопатках турбины;
-проникновению пыли в полости подшипников и в масляную систему.
В работе [3] было показано, что применительно к вертолету пока не просматривается возможность по защитите ГТД от попадания пыли с размером менее 10 мкм с помощью пылезащитных устройств (пылефильтров). А такая пыль может приводить к указанным выше негативным воздействиям. На учебных самолетах и самолетах местных воздушных линий с ГТД возможности для установки сколь-либо эффективных пылефильтров еще меньше, чем на вертолетах.
Таким образом, если ожидается использование ГТД на воздушном судне при существенной запыленности воздуха, то является очевидным, что заявляемые показатели надежности и ресурса должны подтверждаться в том числе и с учетом планируемой наработки двигателя при заявленной запыленности воздуха. Однако сегодня это не реализуется. Хотя фактически ГТД без такого подтверждения в условиях запыленного воздуха эксплуатируются (например, PW207К на вертолете "Ансат").
Если судить по опыту эксплуатации стационарных ГТУ и ГТД на танке "Абрамс", воздух на входе в ГТД не должен иметь запыленность более 0,3 мгм/м3. Тогда не наблюдается отрицательного влияния запыленности на надежность и ресурсную наработку даже при высоких параметрах цикла и высоких скоростях потока в проточной части. Нет оснований полагать, что для авиационных ГТД (особенно имеющих высокие параметры цикла) может оказаться приемлемой более высокая запыленность. По-видимому, допустимый уровень запыленности на входе в ГТД будет обеспечиваться только на вертолетах, обслуживающих нефтегазодобывающие платформы, базирующихся на морских судах, полярных станциях зимой.
Представляется, что в результате испытаний в рамках воздействия второго вида должно быть продемонстрировано, что при заявляемом количестве взлетов (и посадок) в условиях определённой концентрации пыли двигатель сохраняет основные данные и управляемость, а руководство по эксплуатации и система диагностирования позволяют поддерживать необходимый уровень надежности.
По-видимому, необходимо установление некоего интегрального показателя, характеризующего стойкость работающего ГТД к воздействию пыли, включающего, в том числе, количество подтвержденных в результате стендовых испытаний взлетов (посадок) при конкретном уровне запыленности воздуха. Этот показатель должен являться одним из основных, наряду с такими, как: ресурс, приёмистость, продолжительность запуска.
Естественно, что негативное воздействие пыли на двигатель будет зависеть, в том числе и от фракционного и химического состава пыли (песка). Для обеспечения универсальности результатов испытаний их следует проводить на пыли, в отношении которой имеется международная договоренность. И это не какое-то абсолютно новое требование. Испытания по воздействию пыли на работающие двигатели внутреннего сгорания проводят с использованием пыли по международному стандарту [4]. Нет видимых причин для отказа от этого стандарта применительно к отечественным авиационным ГТД (этот стандарт используется в США в том числе для испытания пылефильтров вертолетных ГТД). Согласно этому стандарту пыль делится на 4 группы по фракционному составу при одинаковом химическом составе в весовом отношении. Для испытания авиационных ГТД наиболее подходящей представляется пыль группы "тонкая" (Fine AVG) или группы "средняя" (Medium AVG). В этих группах весовое содержание пыли фракций от 10 мкм и ниже составляет соответственно 50…40%. Основные химические составляющие пыли (в процентах по весу): SiO2 = 65…76; Al2O3 = 11…17; Fe2O3 = 2,5…5; CaO = 3…6.
Международная практика эксплуатации вертолетных ГТД предусматривает обязательную защиту двигателя от пыли (песка) посредством какого-либо пылезащитного устройства (ПЗУ). Представляется целесообразным проводить доводочные и сертификационные испытания вертолетного ГТД на воздействие второго вида в комбинации с рекомендуемым к применению ПЗУ. Необходимое оборудование для подачи пыли в поток воздуха на входе в ПЗУ, для обеспечения равномерности концентрации пыли в потоке, для измерения концентрации пыли и соответствующие методические рекомендации указаны в ГОСТ [5].
Отечественные вертолеты типа Ми-2, Ми-8 и Ми-24 зарекомендовали себя во всем мире как весьма надежные и простые в эксплуатации. Эти качества достигнуты, в том числе и благодаря высокой надежности и работоспособности двигателей ГТД-350, ТВ2-117, ТВ3-117 при высокой запыленности воздуха. Эти свойства двигателей были следствием умеренных параметров цикла и величин скоростей в проточной части, а также качеств отечественной школы конструирования. Новое поколение отечественных вертолетов Ми-226, "Ансат", Ка-60, Ка-62, Ми-38 предполагается оборудовать ГТД с более высокими параметрами цикла при увеличенных скоростях в проточной части (PW207K, MC-500, Ardiden 3G, AИ-450, Arrius 2G-1, PW127T/S, ТВ7-117В, РД-600В). Иностранные двигатели из указанного перечня не имеют конструктивных решений, способных достаточно эффективно противостоять негативному воздействию пыли, а новое поколение отечественных ГТД конструктивно во многом повторяет зарубежные решения [6]. Новое поколение отечественных вертолетов будет способно сохранить прежний авторитет, если устанавливаемым на них ГТД обеспечат достаточно высокую надежность и работоспособность в условиях запыленного воздуха.
Аналогичные замечания следует адресовать и в отношении ГТД нового поколения для учебных самолетов и самолетов местных воздушных линий (АЛ-55И, РД-1700, ТВ7-117СМ).
Литература
1. ГОСТ Р 52560-2006. Испытания на воздействие пыли (песка).
2. Ю.И. Добряков. Проблемы разработки эффективного вертолетного ГТД. // "Двигатель" № 2, 2009 г.
3. Ю.И. Добряков. Обеспечение надежности вертолетных ГТД при работе на запыленном воздухе. // "Двигатель"№ 2, 2010г.
4. ИСО 12103-1: 1997. Транспорт дорожный. Испытательная пыль для оценки фильтра. Часть 1. Испытательная пыль пустынь Аризона.
5. ГОСТ РЕН 779-2007. Фильтры очистки воздуха общего назначения.
6. Internet: Annex B-Air, Land, Sea and Space Fod lssues-by I. Warren, C. Gorton, S. Half and F. Alby.