Лопаточный аппарат. Обрыв рабочих лопаток компрессора или турбины относится к наиболее тяжелым видам повреждения ГТД.
Основной причиной обрыва лопаток компрессора является снижение усталостной прочности материала в результате коррозии или эрозии при высоких напряжениях, вследствие динамических и вибрационных нагрузок. Эти нагрузки могут возрастать в случаях работы компрессора в зоне неустойчивой работы, иногда этому способствуют конструктивные и технологические дефекты (рост вибрационных напряжений вследствие неравномерностей в потоке воздуха, недостаточная отстройка лопаток по частоте, некачественное изготовление лопаток). Начало усталостного разрушения металла лопатки носит местный характер и связано с образованием микротрещин, которые при циклических нагрузках, объединяются между собой. Развитие усталостных трещин начинается, как правило, с входных кромок лопаток и реже - с выходных. Часто источниками образования трещин являются участки коррозионно-эрозионных поражений.
Повреждения спрямляющих и направляющих аппаратов компрессоров связаны, в основном, с отсутствием в сварных конструкциях достаточной эластичности, наличием высоких остаточных напряжений и низкими демпфирующими свойствами. Разрушения направляющих аппаратов по сварным точкам приводит к выпадению отдельных лопаток или отставанию полуколец и задеванию их о ротор.
Помпаж компрессора приводит к обратному течению потока воздуха и газов внутри воздушно-газовых трактов ГТД и возникновению ударной волны высокой интенсивности. Продолжительность одного помпажного цикла «образование ударной волны - образование обратного течения - восстановление нормального течения» длится от 0,1 до 0,5с. Интенсивность ударной волны характеризуется увеличением статического давления в 2-3 раза и высокой скоростью её распространения.
Приложение нагрузки на детали и узлы ГТД от действия ударной волны происходит в виде короткого, по времени, импульса и может вызвать прогиб лопаток, повреждения корпуса ГТД и подшипников, нарушить узлы крепления и изменить центровку двигателя. Прогиб лопаток компрессоров при помпаже, может вызвать надрыв лопатки у корня с последующим развитием усталостных трещин.
Динамические осевые нагрузки при помпажах являются основной причиной разрушения и повреждения упорных подшипников.
В момент помпажа продольные колебания ГТД могут достигать амплитуд 10 - 20 мм, что вызывает нарушения центровок «ротор-корпус ГТД» (с последующим задеванием рабочих лопаток о корпус) и «ГГД-редуктор».
Из всех деталей ГТД рабочие лопатки турбины работают в наиболее тяжелых условиях. Испытывая значительные механические нагрузки от действий рабочего тела (газа) и центробежных сил , а также вибрации, они одновременно подвержены воздействию высоких температур агрессивных коррозионных сред. Кроме того рабочие лопатки подвергаются действию циклических термических напряжений. Опыт эксплуатации показывает, что последние являются основной причиной разрушения лопаток газовых турбин. Окислительная среда дополнительно увеличивает скорость образования и развития трещин. В судовых ГТД имеет место высокотемпературная ванадиево-натриевая коррозия лопаточного аппарата и других узлов турбин.
Методы защиты узлов ГТД от действия ванадия и натрия включают: частичное удаление соединений натрия из топлива и воздуха, нейтрализацию коррозионного воздействия ванадия и натрия путём ввода присадок в топливо, защитные покрытия деталей проточной части ГТД и применение соответствующих материалов.
В эксплуатации отмечаются случаи оплавления и значительного перегрева рабочих и сопловых лопаток. Это происходит в результате нарушений в работе топливорегулирующей аппаратуры, отказов тепловой защиты, возникновения помпажа ГТД. Наиболее опасным является помпаж при пусках и на режимах работы, соответствующим средней мощности. В этих случаях помпаж происходит без сильных звуковых эффектов, а при невнимательном наблюдении за температурами газов или отказе тепловой защиты он может пройти незамеченным, и привезти к обгоранию лопаток. Опыт эксплуатации показывает, что при помпаже, вследствие интенсивного роста температуры газов в течение 20 - 30 с обгорают все лопатки. Обычно рабочие лопатки обгорают на половину их длины в верхней части. Как правило, в наибольшей степени страдает лопатки первой ступени турбины высокого давления. Однако при достаточно интенсивном росте температуры могут обгореть и лопатки второй ступени.
Иногда наблюдаются повреждения лопаточного аппарата компрессоров и турбин, связанные с попаданием в их проточные части твердых посторонних частиц и предметов: песка; кусочков защитной металлической сетки или обломков воздухоприёмных жалюзей; деталей крепления внутренней арматуры воздухозаборных шахт; крепежа узлов камер сгорания и др. Например, происходили разрушения лопаточного аппарата компрессора, вызванные засасыванием оторвавшихся стержней заклепок двери, обеспечивающей доступ в шахту воздухозабора, другой причиной повреждения компрессора явился карманный фонарик, забытый механиком при осмотре воздухозаборной шахты. Из приведенных примеров видно, что засасывание посторонних предметов представляет особую опасность для ГТД. Всасывание небольших по размеру частиц и предметов может не приводить к катастрофическому разрушению проточных частей ГТД, однако вызывают образование на лопатках забоин и вмятин, способствующих ускорению процессов, вызывающих разрушения лопаточных аппаратов.
Обрыв лопаток на работающем ГТД приводит к снижению частот вращения турбокомпрессорных блоков и турбин и повышению температуры газов перед турбиной выше допустимой для данного режима, появлению повышенной вибрации, резкому изменению шума работы. В момент обрыва лопатки турбины или компрессора ясно различим сильный удар. Частичное разрушение лопаток может вызвать помпаж и появление характерных для него признаков. При попадании разрушившейся лопатки в зазор между торцами лопаток и корпусом происходит заклинивание или торможение ротора. В результате снижения частоты вращения увеличивается подача топлива в камеру сгорания, что приводит к срыву пламени и выключению ГТД.
При обрыве рабочей лопатки турбины снижения частоты вращения в начальный момент может не происходить. Дальнейшая работа ГТД зависит от последствий, которые вызывает обрыв лопатки. Обычно оборвавшаяся часть разрушенной лопатки, попадая в зазор между корпусом турбины и торцами следующих по потоку лопаток, вызывает изгиб этих лопаток и выпучивание корпуса турбины или разрушение металлокерамических вставок. Кусок лопатки, имея осевую составляющую скорости движения в направлении выходного устройства, производит аналогичные деформации лопаток последующих ступеней. Если двигатель продолжает работать, то из-за снижения частоты вращения происходит увеличение подачи топлива и рост температурь, газов перед турбиной. При значительном падении частоты вращения и соответствующем увеличение подачи топлива происходит срыв пламени и остановка ГТД. Если оторвавшаяся лопатка вызывает заклинивание ротора, то это также приводит к отключению ГТД. Оторвавшаяся лопатка может пробить корпус и вызвать разрушение элементов силовой установки.
Камеры сгорания. К элементам камер, прочность которых меняется в эксплуатации, относятся наружный корпус и жаровые трубы.
Прочность наружного корпуса в эксплуатации снижается вследствие неравномерного нагрева, в связи с нарушениями работы жаровых труб и от числа теплосмен. Трещины в наружном корпусе возникают в местах концентрации напряжений, как правило, в районах сварки.
Основными эксплуатационными причинами трещин и прогаров жаровых труб являются:
- изменение температурного режима работы жаровых труб, приводящие к местным перегревам, вследствие влияния отложений и нагаров, образующихся на поверхности жаровых труб, влияющих на аэродинамику охлаждения, а также искажения факела при закоксова-нии форсунок;
- большое число теплосмен и значительные градиенты температуры, определяемые числом и режимом пуска;
- повышенный износ поверхностей контакта элементов жаровых труб с фиксаторами, пламенеперебрасывающими патрубками и сопловым аппаратом ТВД вследствие вибрации жаровых труб из-за пульсации давления в камере сгорания.
Топливорегулирующая аппаратура. Большинство неисправностей и отказов топливорегулирующей аппаратуры ГТД связано с загрязнением и обводнением топлива. Неисправности топливорегулирующей аппаратуры ГТД могут быть разделены на три группы.
1. Засорение фильтров, узких каналов регуляторов и форсунок, заедание золотников регуляторов из-за механических примесей в топливе продуктов коррозии и образования в топливе осадков термического происхождения.
2. Вымывание материала стенок каналов, жиклеров, затупление отсечных кромок золотников регуляторов, вследствие эрозионного и коррозионного воздействия топлива из-за наличия в нем механических примесей, осадков высокотемпературного происхождения, продуктов коррозии, воды.
3. Повышенный износ деталей узла насоса-регулятора из-за недостаточных противоизносных свойств топлива, а также наличия в нём различных загрязнений.
Основной причиной обрыва лопаток компрессора является снижение усталостной прочности материала в результате коррозии или эрозии при высоких напряжениях, вследствие динамических и вибрационных нагрузок. Эти нагрузки могут возрастать в случаях работы компрессора в зоне неустойчивой работы, иногда этому способствуют конструктивные и технологические дефекты (рост вибрационных напряжений вследствие неравномерностей в потоке воздуха, недостаточная отстройка лопаток по частоте, некачественное изготовление лопаток). Начало усталостного разрушения металла лопатки носит местный характер и связано с образованием микротрещин, которые при циклических нагрузках, объединяются между собой. Развитие усталостных трещин начинается, как правило, с входных кромок лопаток и реже - с выходных. Часто источниками образования трещин являются участки коррозионно-эрозионных поражений.
Повреждения спрямляющих и направляющих аппаратов компрессоров связаны, в основном, с отсутствием в сварных конструкциях достаточной эластичности, наличием высоких остаточных напряжений и низкими демпфирующими свойствами. Разрушения направляющих аппаратов по сварным точкам приводит к выпадению отдельных лопаток или отставанию полуколец и задеванию их о ротор.
Помпаж компрессора приводит к обратному течению потока воздуха и газов внутри воздушно-газовых трактов ГТД и возникновению ударной волны высокой интенсивности. Продолжительность одного помпажного цикла «образование ударной волны - образование обратного течения - восстановление нормального течения» длится от 0,1 до 0,5с. Интенсивность ударной волны характеризуется увеличением статического давления в 2-3 раза и высокой скоростью её распространения.
Приложение нагрузки на детали и узлы ГТД от действия ударной волны происходит в виде короткого, по времени, импульса и может вызвать прогиб лопаток, повреждения корпуса ГТД и подшипников, нарушить узлы крепления и изменить центровку двигателя. Прогиб лопаток компрессоров при помпаже, может вызвать надрыв лопатки у корня с последующим развитием усталостных трещин.
Динамические осевые нагрузки при помпажах являются основной причиной разрушения и повреждения упорных подшипников.
В момент помпажа продольные колебания ГТД могут достигать амплитуд 10 - 20 мм, что вызывает нарушения центровок «ротор-корпус ГТД» (с последующим задеванием рабочих лопаток о корпус) и «ГГД-редуктор».
Из всех деталей ГТД рабочие лопатки турбины работают в наиболее тяжелых условиях. Испытывая значительные механические нагрузки от действий рабочего тела (газа) и центробежных сил , а также вибрации, они одновременно подвержены воздействию высоких температур агрессивных коррозионных сред. Кроме того рабочие лопатки подвергаются действию циклических термических напряжений. Опыт эксплуатации показывает, что последние являются основной причиной разрушения лопаток газовых турбин. Окислительная среда дополнительно увеличивает скорость образования и развития трещин. В судовых ГТД имеет место высокотемпературная ванадиево-натриевая коррозия лопаточного аппарата и других узлов турбин.
Методы защиты узлов ГТД от действия ванадия и натрия включают: частичное удаление соединений натрия из топлива и воздуха, нейтрализацию коррозионного воздействия ванадия и натрия путём ввода присадок в топливо, защитные покрытия деталей проточной части ГТД и применение соответствующих материалов.
В эксплуатации отмечаются случаи оплавления и значительного перегрева рабочих и сопловых лопаток. Это происходит в результате нарушений в работе топливорегулирующей аппаратуры, отказов тепловой защиты, возникновения помпажа ГТД. Наиболее опасным является помпаж при пусках и на режимах работы, соответствующим средней мощности. В этих случаях помпаж происходит без сильных звуковых эффектов, а при невнимательном наблюдении за температурами газов или отказе тепловой защиты он может пройти незамеченным, и привезти к обгоранию лопаток. Опыт эксплуатации показывает, что при помпаже, вследствие интенсивного роста температуры газов в течение 20 - 30 с обгорают все лопатки. Обычно рабочие лопатки обгорают на половину их длины в верхней части. Как правило, в наибольшей степени страдает лопатки первой ступени турбины высокого давления. Однако при достаточно интенсивном росте температуры могут обгореть и лопатки второй ступени.
Иногда наблюдаются повреждения лопаточного аппарата компрессоров и турбин, связанные с попаданием в их проточные части твердых посторонних частиц и предметов: песка; кусочков защитной металлической сетки или обломков воздухоприёмных жалюзей; деталей крепления внутренней арматуры воздухозаборных шахт; крепежа узлов камер сгорания и др. Например, происходили разрушения лопаточного аппарата компрессора, вызванные засасыванием оторвавшихся стержней заклепок двери, обеспечивающей доступ в шахту воздухозабора, другой причиной повреждения компрессора явился карманный фонарик, забытый механиком при осмотре воздухозаборной шахты. Из приведенных примеров видно, что засасывание посторонних предметов представляет особую опасность для ГТД. Всасывание небольших по размеру частиц и предметов может не приводить к катастрофическому разрушению проточных частей ГТД, однако вызывают образование на лопатках забоин и вмятин, способствующих ускорению процессов, вызывающих разрушения лопаточных аппаратов.
Обрыв лопаток на работающем ГТД приводит к снижению частот вращения турбокомпрессорных блоков и турбин и повышению температуры газов перед турбиной выше допустимой для данного режима, появлению повышенной вибрации, резкому изменению шума работы. В момент обрыва лопатки турбины или компрессора ясно различим сильный удар. Частичное разрушение лопаток может вызвать помпаж и появление характерных для него признаков. При попадании разрушившейся лопатки в зазор между торцами лопаток и корпусом происходит заклинивание или торможение ротора. В результате снижения частоты вращения увеличивается подача топлива в камеру сгорания, что приводит к срыву пламени и выключению ГТД.
При обрыве рабочей лопатки турбины снижения частоты вращения в начальный момент может не происходить. Дальнейшая работа ГТД зависит от последствий, которые вызывает обрыв лопатки. Обычно оборвавшаяся часть разрушенной лопатки, попадая в зазор между корпусом турбины и торцами следующих по потоку лопаток, вызывает изгиб этих лопаток и выпучивание корпуса турбины или разрушение металлокерамических вставок. Кусок лопатки, имея осевую составляющую скорости движения в направлении выходного устройства, производит аналогичные деформации лопаток последующих ступеней. Если двигатель продолжает работать, то из-за снижения частоты вращения происходит увеличение подачи топлива и рост температурь, газов перед турбиной. При значительном падении частоты вращения и соответствующем увеличение подачи топлива происходит срыв пламени и остановка ГТД. Если оторвавшаяся лопатка вызывает заклинивание ротора, то это также приводит к отключению ГТД. Оторвавшаяся лопатка может пробить корпус и вызвать разрушение элементов силовой установки.
Камеры сгорания. К элементам камер, прочность которых меняется в эксплуатации, относятся наружный корпус и жаровые трубы.
Прочность наружного корпуса в эксплуатации снижается вследствие неравномерного нагрева, в связи с нарушениями работы жаровых труб и от числа теплосмен. Трещины в наружном корпусе возникают в местах концентрации напряжений, как правило, в районах сварки.
Основными эксплуатационными причинами трещин и прогаров жаровых труб являются:
- изменение температурного режима работы жаровых труб, приводящие к местным перегревам, вследствие влияния отложений и нагаров, образующихся на поверхности жаровых труб, влияющих на аэродинамику охлаждения, а также искажения факела при закоксова-нии форсунок;
- большое число теплосмен и значительные градиенты температуры, определяемые числом и режимом пуска;
- повышенный износ поверхностей контакта элементов жаровых труб с фиксаторами, пламенеперебрасывающими патрубками и сопловым аппаратом ТВД вследствие вибрации жаровых труб из-за пульсации давления в камере сгорания.
Топливорегулирующая аппаратура. Большинство неисправностей и отказов топливорегулирующей аппаратуры ГТД связано с загрязнением и обводнением топлива. Неисправности топливорегулирующей аппаратуры ГТД могут быть разделены на три группы.
1. Засорение фильтров, узких каналов регуляторов и форсунок, заедание золотников регуляторов из-за механических примесей в топливе продуктов коррозии и образования в топливе осадков термического происхождения.
2. Вымывание материала стенок каналов, жиклеров, затупление отсечных кромок золотников регуляторов, вследствие эрозионного и коррозионного воздействия топлива из-за наличия в нем механических примесей, осадков высокотемпературного происхождения, продуктов коррозии, воды.
3. Повышенный износ деталей узла насоса-регулятора из-за недостаточных противоизносных свойств топлива, а также наличия в нём различных загрязнений.
Комментариев нет:
Отправить комментарий
Примечание. Отправлять комментарии могут только участники этого блога.