Камера сгорания является одним из основных узлов газотурбинного двигателя (ГТД) и в значительной мере влияет на экономичность, надежность, долговечность двигателя в целом, а также определяет степень его воздействия на окружающую среду.
По сравнению с другими узлами ГТД камера сгорания отличается многообразием и сложностью рабочего процесса.
Камера сгорания является наряду с турбиной одним из ресурсоограничивающих элементов ГТД, в связи с этим разработка методов диагностики, позволяющих на основе моделирования по замеренным параметрам оценить состояние элементов основной и форсажных камер сгорания, а так же спрогнозировать возможный дефект и его развитие, является актуальной задачей.
Дефекты деталей камеры сгорания могут быть также вызваны причинами технологического характера (сварочные трещины и поры, остаточные напряжения в материале, изменение структуры при термической обработке).
При разрушении корпуса основной камеры сгорания происходит резкое повышение давления в мотогондоле или фюзеляже ЛА, деформация и локальный перегрев конструкции.
Возникновение и развитие повреждений жаровых труб при циклических изменениях температуры в значительной степени зависит от физико-механических характеристик используемых материалов: коэффициента теплопроводности, коэффициента термического расширения, предела длительной прочности.
Повреждение жаровой трубы может также возникнуть из-за неравномерного нагрева стенок вследствие нарушения характера распыла топлива отдельными форсунками.
Нарушение характеристик распыла форсунок вызывает местный перегрев стенок камеры сгорания, что проявляется в выпучивании, растрескивании, повышенном окислении материала стенки. Ухудшение распыла топлива форсунками может быть связано с закоксовыванием форсунок, образованием нагара на форсунках или их засорением.
Коксование рабочих коллекторов и форсунок вызывается локальной более высокой температурой нагрева элементов конструкции (из-за неравномерности параметров обтекающего их закомпрессорного воздуха, неравномерности лучистых потоков от зоны горения, отклонений размеров).
Повреждения деталей соединений элементов камер сгорания (форсунки и завихрителя, элементов крепления жаровой трубы и коллекторов к корпусу, газосборника и корпуса соплового аппарата первой ступени турбины). На поверхностях контактирующих деталей в этих соединениях часто наблюдается повышенный износ, следы фреттинг-коррозии, мелкие трещины. В результате в соединениях появляются зазоры, перетекание воздуха и газов, возникают вибрации, приводящие к наклепу контактирующих поверхностей и к быстрому разрушению элементов соединений.
Повреждение и разрушение элементов конструкции форсажных камер происходит в результате действия дополнительного повышения температуры газа, нарушений в системе охлаждения и вибрационного горения в форсажной камере.
Источниками дополнительного подвода тепла (повышения температуры корпуса камеры сгорания) являются течи топлива или гидросмеси. Прогар корпуса форсажной камеры происходит независимо от того, где возникла течь, внутри камеры или снаружи. Горение дополнительного неорганизованного источника топлива внутри нарушает систему предохранения корпуса от перегрева (прогорают или коробятся экраны форсажной камеры). Горение топлива или масла снаружи камеры приводит к дополнительному разогреву вместо теплосъема с поверхности корпуса камеры и, как следствие, происходит перегрев материала.
Усталостные повреждения, как правило, возникают в местах резкого изменения формы деталей и вблизи сварочных швов (на ребрах и кольцах стабилизаторов, в местах крепления стабилизатора, на стабилизаторах, тягах их крепления, на антивибрационном экране, на створках, на обтекателях, наружных и внутренних стенках диффузоров и т.д.). Если внутренние поверхности форсажной камеры имеют защитное покрытие, то на нем возможны следы местного перегрева, растрескивание, сколы.
Повреждение и разрушение деталей и стенок форсажной камеры при вибрационном горении форсажного топлива происходит в зонах стабилизации пламени при больших степенях форсирования двигателя и повышенных скоростях полета. Вибрационное горение сопровождается колебаниями газового столба в форсажной камере, возбуждаемыми колебаниями фронта пламени при периодических изменениях местных составов топливо-воздушной смеси. Это явление связано с неравномерностью параметров потока на входе в камеру, местными переобогащениями смеси у кромок стабилизаторов пламени и с неправильной настройкой регулятора форсажа, дающей повышенный расход топлива, или с чрезмерным открытием створок регулируемого сопла.
- ационного моделирования для диагностики камер сгорания
Для моделирования рабочего процесса в камере сгорания применяется достаточно большое число методов [3,4], однако для целей диагностики могут быть использованы далеко не все. В данной статье анализируется возможность применения модульного метода и численных методов трехмерного моделирования течений, горения и теплообмена.
Вероятной причиной этого является неудовлетворительное распределение охлаждающего воздуха в тракте охлаждения, связанное с нарушением геометрией проточной части этого тракта вследствие коробления экранов. При обнаружении подобного скачка во время термометрирования на работающем двигателе, необходимо воспроизвести подобное явление в имитационной модели, путем корректировки распределения воздуха под экранами (изменяя проницаемость экранов, высоту тракта охлаждения, загромождение проточной части, а значит и перепад давления на экране) и выявить причину отклонения.
Возможны два пути использования систем имитационного моделирования.
Первый - превентивное моделирование различных отказов и формирование базы знаний по их признакам – параметрам, фиксируемым измерительными приборами (значениям температур и давлений в контрольных точках). При наступлении признаков отказа (отклонения значений параметров в контрольных точках от номинальных) подбирается наиболее подходящая модель ситуации из базы знаний и по ее исходным данным определяется дефект. Преимущество данного метода - быстрое выявление дефектов и их предпосылок, недостаток – большой объем базы знаний, а значит и длительный процесс ее формирования.
Второй путь предусматривает создание математической модели и проведение расчетного исследования после наступления события-предвестника дефекта – отклонения контролируемых параметров от нормы. Математическая модель с помощью задания начальных условий настраивается так, чтобы на выходе получались зафиксированные параметры рабочего процесса. Преимущество данного подхода - отсутствие предварительного моделирования, недостаток - необходимость затрат дополнительного времени на создание модели после отказа или появления признаков его формирования.
Первый путь оптимален для изделий, выпущенных в большом количестве, а второй - для опытных партий.
Из вышеизложенного можно сделать вывод, что существует возможность использования систем имитационного моделирования для предупреждения и выявления дефектов.
Использование готовых моделей позволяет на ранней стадии выявлять зарождающиеся дефекты по признакам, полученным в результате имитационного моделирования.
Аналогичная технология может быть использована и для основной камеры сгорания.
Одним из наиболее информативных факторов, позволяющим судить о наличии неисправности элементов камеры сгорания, является температурное поле в ее выходном сечении. Ряд дефектов камер (прогары и коробления жаровой трубы, оплавление и растрескивание кромок отверстий, коксование форсунок и их разрушение, деформация элементов подвески жаровой трубы и др.) вызывает изменение распределения температуры газа в выходном сечении камеры.
Для исследования влияния конкретных дефектов на выходное температурное поле камеры сгорания и изучения изменений, вносимых в это поле с учетом прохождения через турбину, помимо натурных экспериментов может с успехом применяться численное моделирование газодинамических и тепловых процессов. Такое моделирование осуществляется на основе программных комплексов вычислительной гидрогазодинамики (ПК CFD).
Применительно к конкретной камере, верификация должна быть выполнена заново для другого уровня и соотношения параметров и другого соотношения размеров. По результатам верификации делается вывод об адекватности применяемых моделей и пригодности использования данного ПК CFD для решения задач моделирования и диагностирования.
Положительные результаты верификации задачи распространения одиночной струи в поперечном потоке, в существенной степени влияющего на формирование температурного поля, дают возможность перейти к моделированию процессов в зоне разбавления и газосборнике.
Результаты решения верификационных задач анализа течения для наиболее распространенного элемента фронтового устройства – лопаточного завихрителя – представлены в работе [7].
Возникновение отрыва потока вследствие погрешностей изготовления деталей, деформации элементов при работе, изменения параметров на входе в камеру может привести появлению неравномерности распределения скоростей и температур и стать причиной дефекта (например, прогар жаровой трубы при локальном изменении условий охлаждения).
Моделирование процессов в камере сгорания в целом включает в качестве основной составляющей моделирование процесса турбулентного горения. Некоторые теоретические и методические основы моделирования горения в камерах ГТД изложены в монографии [8]. Верификационные задачи для моделирования горения с целью диагностики необходимо решать с учетом химического состава конкретного топлива, конструктивных особенностей камеры сгорания и значений газодинамических параметров на входе.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ.
Литература:
Сиротин Н.Н. Конструкция и эксплуатация, повреждаемость и работоспособность газотурбинных двигателей. Москва, РИА "ИМ-Информ" 2002 г. - 441 с.
Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. Москва, Машиностроение 1984 г. - 280 с.
Мингазов Б.Г. Камеры сгорания газотурбинных двигателей Учебное пособие, Казань, Изд-во КГТУ, 2008.
Харитонов В.Ф. Проектирование камер сгорания – Уфа, УГАТУ, 2008, 138 с.
Гребенюк Г.П., Кузнецов С.Ю., Харитонов В.Ф. Исследование температурного поля на выходе камеры сгорания с поворотом потока в газосборнике - Вестник СГАУ, 2006 г, №1(9), с 48-53.
Гиршович Т.А. Турбулентные струи в поперечном потоке. - М.: Машиностроение. 1993.- 256 с.
Кузнецов С.Ю., Катасонов И.А., Харитонов В.Ф. Моделирование газодинамических процессов во фронтовых устройствах и зонах разбавления камер сгорания ВРД // Материалы доклада на отчетной конференции по подпрограмме “Транспорт” Минобразования РФ – М., изд. МАИ, 2001, с. 32-33.
Куценко Ю.Г. Численное моделирование оценки эмиссионных характеристик камер сгорания ГТД – Екатеринбург-Пермь, изд-во УрО-РАН, 2006, 140 с.
