Моделирование и оценка влияния устранения повреждений рабочих лопаток компрессоров турбореактивных двухконтурных двигателей на их работоспособность

Введение

Техническая и летная эксплуатация авиационного двигателя (АД) – наиболее продолжительные этапы его жизненного цикла, характеризующиеся широким спектром повреждающих факторов, непосредственно влияющих на его техническое состояние и надежность. Тенденции в проектировании турбореактивных двухконтурных двигателей (ТРДД) (интенсивный рост степени двухконтурности [1]), а также особенности конструктивно-компоновочной схемы современных гражданских авиалайнеров^1,2 (преобладающее сочетание низкоплана с силовыми установками на пилонах под крыло [2]) делают рабочие лопатки первых ступеней компрессора наиболее уязвимыми при попадании посторонних предметов: опыт эксплуатации показал, что повреждаемость вентиляторных лопаток ПС-90А составляет порядка 60 % от общего числа повреждений узлов, бустерных лопаток – менее 5 %, лопаток первых ступеней компрессора высокого давления (КВД) – до 10 % [3].

Столкновение посторонних предметов (грязь, куски льда, фрагменты бетонного покрытия, крепежные элементы конструкции АД, птицы и т. п.) с рабочими лопатками приводит к появлению различного рода забоин, вмятин, трещин. Так, по статистике, доля повреждений вентилятора при попадании птиц составляет 17,7 % от общего числа повреждений конструкции воздушного судна и 43,3 % от общего числа повреждений узлов ГТД (в частности, [4]). На повестке дня встает вопрос о столкновении дронов с авиационным двигателем, что согласно исследованию [5] носит не менее разрушительный характер для рабочих лопаток вентилятора, чем в случае с птицами.

При обнаружении повреждения специалистами инженерно-технической службы производится оценка его расположения и характерных размеров, принимается решение о продолжении эксплуатации, ремонте или замене узла (детали), в частности рабочей лопатки. Нормы количественного и качественного характера на те или иные повреждения указываются производителем АД в руководстве по технической эксплуатации (РТЭ) (Aircraft Maintenance Manual).

Ранее уже проводились исследования [5–8] в области изучения НДС рабочих лопаток вентилятора с дефектами, однако авторами не рассматривались лопатки иных конфигураций, которые встречаются в компрессорах современных ТРДД, что сужало область их применения. Актуальность и научная новизна данного исследования заключается в анализе зависимости распределения напряжений в пере лопатки от ее габаритов и условий нагружения.

Анализ нормируемых допусков и методов зачистки забоин на рабочих лопатках компрессора

Доминирующим видом повреждения среди ранее упомянутых для роторных лопаток компрессора являются забоины (56 % и более от общего количества повреждений АД [9]). По этой причине в эксплуатационно-технической документации выделяются отдельные разделы, посвященные нормам и технологическим процедурам по зачистке подобных повреждений рабочей лопатки.

Следует отметить, что согласно РТЭ большинства ТРДД на пере рабочей лопатки вентилятора выделяют зоны, в которых не допускается устранение повреждений, например для лопаток двигателей типа CFM56-5A¹, ПС-90А³ и CFM56-7B² (рис. 1).

Наибольшие ограничения накладываются на прикорневые сечения ввиду их высокой нагруженности и зону антивибрационной полки, в которой имеет место скачок напряжений. С учетом вышесказанного безопасная глубина зачистки обычно ступенчато увеличивается при движении от корневого к концевому сечению лопатки.

Анализ ограничений на зачистку забоин рабочих лопаток «бустерных» (подпорных) ступеней CFM Leap 1A (рис. 2) и ступеней КВД CFM56-7B (рис. 2) позволяет констатировать схожий принцип назначения зон и допустимой глубины зачистки. Однако с уменьшением размеров самой лопатки (длины пера, в частности) прослеживается постепенное увеличение прикорневой зоны ограничений.

На сегодняшний день наиболее распространенным материалом, применяемым для изготовления рабочих лопаток первых ступеней компрессоров и бустерных ступеней современных ТРДД с высокой степенью двухконтурности являются титановые сплавы [10] в силу оптимального сочетания механических и весовых характеристик.

Зачистка лопаток из металлических материалов нашла широкое применение как метод ремонта рабочей лопатки компрессора при техническом обслуживании. Процедура может быть осуществлена вручную с помощью напильников, абразивных брусков или наждачной бумаги⁴. Крупнозернистые абразивы или напильники могут быть использованы для быстрого удаления металла, но затем поверхность лопатки должна быть окончательно обработана мелкозернистыми абразивами. Кроме того, разработчиком допускается использование пневматической дрели с борфрезами (для крупных забоин).

При ремонте рабочих лопаток компрессора второй и последующих ступеней выполняется зачистка с использованием бороскопа и борфрез. Приоритет данному способу отдается по причине простоты как самого процесса восстановления, так и применяемого инструмента.

Однако несоблюдение требований процедуры зачистки ведет к снижению механических характеристик – в 11 % случаев при полировании или шлифовании возникает так называемый прижог (или ожог) [11]. Среди основных причин этого выделяют как свойства титана и сплавов на его основе (низкая теплопроводность, высокая прочность, высокий коэффициент трения), так и уровень квалификации исполнителя, поскольку несоблюдение требований, выносимых на первые строки процедур по механической зачистке, как правило, ведет к повреждению материала.

Оценка применимости системы прочностного анализа APM FEM, интегрированной в САПР «Компас 3D», и адекватности моделей

Оценка работоспособности рабочих лопаток базируется на прочностном критерии для моделей рассматриваемых лопаток. Средой трехмерного моделирования и проведения исследований выбрана система автоматизированного проектирования (САПР) «Компас 3D v21» с подключенным модулем прочностного анализа APM FEM, входящим в состав учебного варианта программного обеспечения.

В силу отсутствия возможности проведения в настоящий момент механических испытаний рассматриваемых лопаток для заключения о корректности принципов, параметров построения моделей лопаток и их адекватности использованы результаты сравнения расчетной оценки собственных частот колебаний рабочей лопатки компрессора в среде САПР и экспериментальной оценки с использованием резонансного метода на установке кафедры двигателей летательных аппаратов МГТУ ГА.

Разработана трехмерная модель рабочей лопатки третьей ступени компрессора ТВД НК-12 (рис. 3) из жаропрочной высоколегированной стали ЭИ961, и для нее экспериментально определена частота первой изгибной формы колебаний рабочей лопатки – 239 Гц, что схоже с экспериментальными результатами, полученными ранее другими авторами [12]. Величина частоты колебаний по первой изгибной форме, полученная с использованием компьютерного моделирования лопатки в рамках настоящей статьи (рис. 3), составила 229 Гц (синим цветом указаны минимальные перемещения, красным – максимальные).

Таким образом, относительная погрешность определения частоты первой изгибной формы колебаний с использованием разработанной модели лопатки по отношению к экспериментальным результатам не превышает 5 %. Это позволяет утверждать о корректности принципов, параметров построения моделей лопаток и их адекватности для выполняемых далее оценок их работоспособности.

Оценка влияния зачистки забоин на распределение напряжений в материале лопаток компрессора ТРДД

С целью теоретической оценки степени влияния зачистки на способность конструкции рабочей лопатки вентилятора воспринимать действующие статические нагрузки от центробежной силы разработана трехмерная (3D) модель, основные геометрические характеристики которой представлены на рис. 4.

При разработке модели учитывались особенности конструкции рабочих лопаток классических вентиляторов современных ТРДД [13]:

• длинные лопатки с малой относительной толщиной профиля;
• закрутка профиля пера лопатки по радиусу;
• применение титановых сплавов.

Для получения представления о характере распределения напряжений в рабочей лопатке компрессора в зависимости от ее размеров также разработаны трехмерные модели лопаток первой ступени бустера и КВД, геометрические характеристики которых приведены на рис. 5.

Одной из тенденций конструирования вентиляторов современных и перспективных ТРДД является разработка и применение широкохордных бесполочных титановых (монолитных) или композитных (полых) с титановыми накладками рабочих лопаток. Подобное конструкторское решение также представляет интерес, поэтому смоделирована монолитная широкохордная металлическая лопатка (рис. 6).

Зачистка при устранении повреждений физически означает удаление материала лопатки, следовательно, уменьшение площади поперечного сечения, которая является одним из ключевых параметров при оценке статической прочности рабочей лопатки. Но при этом уменьшается и масса пера, что не позволяет априори утверждать о снижении коэффициента запаса прочности в ряде сечений, что и будет показано ниже.

На входной кромке рабочей лопатки вентилятора смоделированы отсутствующие фрагменты как результат проведения технологической процедуры по зачистке забоин, которые в процессе эксплуатации образовались в трех зонах пера (рис. 7, слева): концевое сечение, среднее сечение и прикорневое сечение. Аналогичным образом созданы модели устраненных повреждений на входных кромках широкохордной рабочей лопатки (рис. 7, справа) и рабочих лопатках подпорной ступени и ступени КВД (рис. 5).

Характеристики профилей лопаток соответствуют нормам, предъявляемым к аналогичному узлу конструкции ТРДД CFM56-5A (для классической лопатки вентилятора), CFM Leap 1A (для подпорной ступени) и CFM56-7B (для широкохордной лопатки вентилятора и ступени КВД).

Используемая в исследовании расчетная схема предполагает, что рабочие лопатки зафиксированы в пазу диска по поверхностям хвостовика типа «ласточкин хвост». В центре масс лопаток прикладывается центробежная сила. Частота вращения ротора вентилятора на взлетном режиме составляет 4 600 об/мин, ротора высокого давления – 7 360 об/мин.

В качестве материала для моделируемых лопаток выбран титановый сплав ВТ8, химический состав и физические свойства которого регламентируются государственным стандартом⁵.

Следующим шагом стало разбиение и создание, в соответствии с принципами приближенного численного метода конечных элементов (МКЭ), сетки исследуемого тела, образованной множеством конечных элементов. При ручном счете задача сводится к непосредственному нахождению перемещений узлов конечных элементов, позволяющих определить возникающие напряжения [14].

Применение МКЭ в совокупности с электронными вычислительными машинами (ЭВМ) позволяет упростить реализацию данного метода и проводить многочисленные испытания объекта сложной конфигурации при различных видах нагружения за относительно короткий промежуток времени без необходимости в изготовлении и последующем разрушении реального дорогостоящего экземпляра узла, что особенно актуально для авиационной индустрии [15].

На рис. 8 в качестве примера представлена конечно-элементная сетка рабочей лопатки вентилятора, сформированная 120 808 элементами, имеющими в сумме 34 504 узла.

Важно отметить, что размер тетраэдра подбирается таким образом, чтобы он целиком помещался в наименьшей грани исследуемого объекта. Последующее уменьшение габаритов элемента, с одной стороны, ведет к повышению точности, а с другой – к увеличению времени обработки запроса, а значит, и требований к располагаемой производительности ЭВМ [16].

На соответствие полученных значений действительным также влияет количество узлов конечного элемента [17] (в частности, тетраэдра) – в рамках настоящего исследования выбран четырехузловой тетраэдр.

Распределение напряжений (по Мизесу) (Solid Von Mises (SVM, в Па)) по перьям лопаток, а также коэффициента запаса прочности (КЗП) для восстановленных лопаток вентилятора, бустера и КВД представлено на рис. 9–13. Стрелками указаны зоны максимальных напряжений. КЗП для исправных лопаток удовлетворяют диапазонам, в которых обеспечивается статическая и, как показывает опыт проектирования, динамическая прочность, поэтому расчет их конкретных значений в рамках данной статьи не приводится.

Анализ полученных результатов позволяет утверждать, что напряженно-деформированное состояние (НДС) смоделированных неповрежденных рабочих лопаток соответствует физическим представлениям [18][19]: нагрузка на материал увеличивается от концевого сечения к корневому с характерным скачком в сечении с антивибрационной полкой (применительно к вентиляторной рабочей лопатке), представляющей собой сосредоточенную массу.

Максимум напряжений локализован в районе соединения хвостовика с переходной частью (классическая рабочая лопатка вентилятора, рабочая лопатка бустера и рабочая лопатка КВД) или на корытце в прикорневых сечениях пера (широкохордная рабочая лопатка вентилятора) и составляет 323 МПа для классической вентиляторной рабочей лопатки, 407 МПа для широкохордной вентиляторной рабочей лопатки, 56 МПа для бустерной рабочей лопатки и 105 МПа для рабочей лопатки КВД.

Сравнение распределения напряжений для отремонтированных лопаток показывает, что с уменьшением длины пера происходит постепенный переход от увеличения напряжений (прирост до 4 % для классической вентиляторной и до 60 % для широкохордной) к их постепенному снижению (уменьшение до 1 и 4 % для КВД и бустерной соответственно). В то же время наряду с общим снижением напряжений наблюдается появление участков с большими значениями напряжений в зоне прикорневой забоины, что является неприемлемым. Это подтверждает наложение ограничений на проведение операций по частичному удалению материала, о которых ранее шла речь при анализе допусков на зачистку на лопатках с относительно малыми габаритами.

Минимальный коэффициент запаса прочности увеличивается с уменьшением размеров лопатки. При зачистке повреждений на широкохордной вентиляторной лопатке возникают существенные зоны локализации напряжений с большими значениями в зоне входной кромки прикорневых и средних сечений, что ведет к значительному снижению КЗП. Состояние нагружения бустерной лопатки является более благоприятным, чем у лопатки КВД, что объясняется меньшими центробежными нагрузками. Минимальные КЗП составляют 3,17 для классической вентиляторной, 1,64 для широкохордной вентиляторной, 8,93 для КВД и более 10 для бустерной рабочей лопатки, что, исходя из опыта проектирования, является приемлемым в первом приближении [20].

Схожая картина распределения напряжений и КЗП в материале рабочих лопаток компрессоров ТРДД указывает на отсутствие критического ухудшения прочностных характеристик в сечениях пера лопатки при удалении в них материала в результате ремонта согласно нормативно-технической документации (НТД). Это может свидетельствовать о том, что на этапе проектирования разработчиком закладывается существенный запас на глубину зачистки, что обеспечивает работоспособность лопатки и безопасность эксплуатации узла даже при незначительном нарушении допусков, колеблющихся в диапазоне от 1 до 10 мм. По этой причине в современных РТЭ допускается незначительное отклонение от базовых допусков НТД на устранение повреждений при условии обязательной замены рабочей лопатки в течение назначенного (ограниченного) срока эксплуатации.

Заключение

В рамках статьи проанализированы статистика, причины и виды основных повреждений рабочих лопаток компрессора ТРДД. Охарактеризованы способы их устранения в процессе эксплуатации в соответствии с действующей технической документацией.

Разработаны трехмерные модели титановых рабочих лопаток вентилятора (классических и широкохордных), бустера и КВД ТРДД с учетом особенностей конструкции современных АД. Смоделированы зачищенные забоины, соответствующие требованиям ЭТД.

С применением САПР «Компас 3D» и модуля прочностного анализа APM FEM методом конечных элементов выполнен прочностной расчет для исправных и отремонтированных лопаток. Корректность принципов, параметров построения моделей лопаток и их адекватность подтверждена расчетной оценкой собственных частот колебаний рабочей лопатки компрессора в среде САПР и экспериментальной оценкой с использованием резонансного метода.

Анализ полученных результатов дает основание утверждать, что устранение повреждений в виде забоин согласно НТД не оказывает существенного влияния на прочностные характеристики классических вентиляторных, бустерных и рабочих лопаток первой ступени КВД, однако с уменьшением размеров лопатки, а также в широкохордных рабочих лопатках вентилятора вызывает появление существенных участков с максимальными напряжениями при наличии и устранении повреждений в прикорневых зонах, что в соответствии с критерием Гриффитса при подводе достаточной энергии может привести к развитию трещины (усталостной) и требует особого внимания в эксплуатации.

Хотя широкохордные лопатки вентиляторов улучшают газодинамические и тяговые характеристики ТРДД, они более чувствительны в силу особенностей формы пера к повреждениям пера и характеристикам процедур устранения повреждений, что следует учитывать при оценке работоспособности и организации обслуживания вентиляторов, оснащенных такими лопатками.