ОСНОВНЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ ТУРБИНЫ,. ПРИЧИНЫ ИХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ. И МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ
Высокие температуры, в условиях которых работают детали турбины, воздействие центробежных, аэродинамических и вибрационных сил при работе двигателя делают турбину двигателя наиболее нагруженным его узлом.
В результате этого в эксплуатации появляются неисправности, обусловленные перечисленными факторами. Наиболее характерными из них являются:
трещины по первому пазу елочного замка неусиленного диска турбины;
трещины и разрушение рабочих лопаток турбины;
смещение лопаток турбины в сторону соплового аппарата;
уменьшение зазора между рабочими лопатками турбины и бандажом;
трещины или обгорание лопаток соплового аппарата;
трещины кожуха газосборника;
разрушение шпилек крепления бандажа;
трещины бандажа соплового аппарата турбины.
Трещины по первому пазу елочного замка диска турбины являются следствием высоких динамических нагрузок, возникающих при попадании лопаток турбины в резонансный режим, и недостаточной конструктивной прочности замковой части обода диска неусиленной конструкции. Несмотря на кратковременность работы двигателя на резонансном режиме, при относительно высокой частоте колебаний (более 2000 Гн) происходит накопление числа циклов нагружений, вызывающих появление микротрещин и их дальнейшее развитие. Развитие трещин в пазах диска происходит медленно (около 3—3,5 мм за 100 ч работы), поэтому случаев разрушения обода диска в процессе эксплуатации не было, а трещины обнаруживались при ремонте двигателей, отработавших ресурс.
В целях исключения случаев разрушения дисков турбин в серийном производстве внедрена новая конструкция усиленного диска, а при ремонте двигателей неусиленные диски заменяются на усиленные. За все время эксплуатации усиленных дисков случаев их разрушения не было.
Разрушение рабочих лопаток турбины является одним из наиболее опасных отказов двигателя. Оборвавшаяся часть лопатки может пробить корпус турбины и обшивку самолета, а также разрушить тяги управления самолетом. Кроме того, при разрушении лопатки вследствие дисбаланса возникает сильная тряска двигателя, которая может вызвать разрушение топливных, масляных трубопроводов и пожар двигателя.
Основными причинами разрушения рабочих лопаток турбины двигателей М70ІС-500 является возникновение и развитие усталостных трещин под действием динамических напряжений, обусловленных неравномерностью поля давлений газов вследствие различия проходных сечений газовоздушного тракта и производительности рабочих форсунок.
Одним из основных источников возбуждения вибраций лопаток являются импульсы сил при прохождении их через аэродинамический след сопловых аппаратов и стыков патрубков газосборника. Динамические нагрузки на установившемся режиме повторяются с каждым оборотом ротора двигателя. Максимальные вибрационные напряжения возникают на резонансном режиме при кратности частоты собственных колебаний лопаток частоте вращения ротора двигателя.
Большие нагрузки и высокие температуры обусловливают усталостные разрушения лопаток турбин по профильной части пера или по первому пазу елочного замка.
Возникновение и развитие усталостных трещин на профильной части пера лопатки обычно начинается от концентратора напряжений. Такими концентраторами могут явиться забоины на кромках лопаток, эрозионный износ, наличие поперечных рисок от механической обработки или уменьшение радиуса скруглення выходной кромки лопатки. Развитие усталостной трещины на пере лопатки турбины является длительным процессом и потому обычно своевременно выявляется в эксплуатации. Обрыв лопатки наступает лишь при длине трещины около 40—50% хорды.
Разрушение лопаток турбины по первому пазу елочного замка происходит из-за возникновения и развития усталостной трещины в местах действия максимальных растягивающих и изгибающих напряжений — в середине паза на торцевой поверхности замка со стороны выходной кромки.
Основной причиной разрушения лопаток по первому пазу замка являются повышенные динамические (вибрационные) напряжения вследствие резонанса по 8-й гармонике на частоте вращения 15 650…15 700 об/мин. Максимальная частота вращения двигателя М701 с-500 по техническим условиям должна быть 15 400+об/мин; Однако при пробе приемистости возможен заброс частоты вращения до 300 об/мин, что приводит к кратковременной „работе лопаток турбины на резонансном режиме с возникновением в них вибрационных напряжений. Изменение заделки привело к увеличению уровня вибронапряжений, что подтверждается наличием большого количества усталостных трещин по первому пазу диска турбины, в котором произошел обрыв лопатки.
В целях предотвращения случаев возникновения усталостных трещин по первому пазу елочного замка лопаток были несколько изменены геометрические размеры пазов елочного замка диска турбины, что позволило повысить демпфирующие свойства этого соединения. В результате проведенных мероприятий случаев возникновения трещин лопаток по первому пазу елочного замка в условиях эксплуатации не было.
Таким образом, ротор турбины двигателя М701 с-500 в настоящее время работает весьма надежно.
Смещение рабочих лопаток турбины в сторону соплового аппарата («утопание лопаток») происходит вследствие нарушения фиксации их в осевом направлении пластинчатыми замками. Такое нарушение может происходить из-за отгибания усиков пластинчатых замков в результате воздействия вибрационных нагрузок или вследствие неплотного прилегания усиков замков к ободу диска при их установке. Однако основной причиной смещения лопаток является приложение к ним чрезмерных осевых нагрузок при проворачивании ротора двигателя штангой приспособления КВ 503-00. Поэтому для предотвращения смещения рабочих лопаток турбины в сторону соплового аппарата необходимо при проворачивании ротора не допускать сильного давления штангой на лопатки.
Необходимо отметить, что на рабочих режимах работы двигателя перемещению лопаток в осевом направлении препятствуют силы трения в замке, которые в несколько раз больше силы, сдвигающей лопатку.
Уменьшение радиального зазора между торцами рабочих лопаток турбины и корпусом (бандажом) происходит в результате деформации корпуса турбины из-за неравномерного его нагрева и охлаждения. Уменьшение зазора в процессе эксплуатации может происходить сравнительно быстро, и к концу межрегламентного периода он может уменьшиться настолько, что произойдет касание рабочих лопаток о корпус, что вызовет торможение или заклинивание ротора двигателя, сопровождающееся обгоранием лопаток турбины и соплового аппарата.
Дефект проявляется обычно на двигателях с сегментной конструкцией корпуса турбины. Внедрение бес — сегментного корпуса турбины, ограничение минимального зазора до 0,5 мм позволили в значительной степени сократить количество случаев проявления этого дефекта, однако полностью его не устранили. Поэтому в эксплуатации необходимо периодически контролировать величину зазора между корпусом турбины и торцами лопаток, а также строго соблюдать требования инструкции по прогреву и охлаждению двигателя.
Трещины и коробление выходных кромок лопаток соплового аппарата возникают вследствие воздействия термических напряжений при изменении режимов работы двигателя или местном увеличении температуры газов. Высокие температуры газов перед турбиной и значительная неравномерность температурного поля на выходе из жаровой трубы обусловливают нагрев до различных температур даже тех лопаток, которые расположены в зоне одной жаровой трубы. Температура нагрева сопловой лопатки изменяется как по высоте, так и по ее хорде. Наибольшая температура на входной кромке лопатки соплового аппарата, наименьшая— на расстоянии 50…70% длины хорды от входной кромки. Перепад температуры между этими точками достигает нескольких десятков градусов. Кроме того, лопатка соплового аппарата со стороны вогнутой поверхности нагревается больше, чем с выпуклой. Более интенсивный нагрев входной кромки и вогнутой поверхности объясняется эффектом местного нагрева за счет частичного торможения потока.
Изменение температуры газов перед турбиной на переходных неустановившихся режимах работы двигателя приводит к соответствующему изменению степени нагрева сопловых лопаток. При запуске и пробе приемистости двигателя, сопровождающихся забросами температуры, возникают большие перепады температур по высоте и хорде сопловой лопатки.
Быстрые и неравномерные (по высоте и поперечному сечению), циклически повторяющиеся нагревы и охлаждения сопровождаются высокими термическими напряжениями, которые являются основной причиной появления трещин в материале’ лопаток соплового аппарата. Величина этих напряжений зависит от степени неравномерности температуры, возможности свободного перемещения лопатки при нагреве и охлаждений, а также способа ее крепления. Степень неравномерности температуры газового потока перед турбиной зависит от особенностей конструкции индивидуальных камер сгорания, от состояния жаровых труб, от величины зазоров между жаровыми трубами и кожухами камер сгорания, от площади проходных сечений деталей и узлов газовоздушного тракта двигателя, от параметров рабочих форсунок. Но основным фактором обеспечения надежной работы лопаток соплового аппарата является строгое соблюдение температурного режима двигателя при запуске, а также обеспечение необходимого прогрева и охлаждения.
Трещины корпуса газосборника (обычно около 4-й камеры сгорания) возникают под действием тангенциальных статических напряжений вследствие некачественной отливки корпуса при его изготовлении. Для повышения надежности корпусов газосборника промышленностью проведен ряд мероприятий по совершенствованию технологии их изготовления, однако отдельные случаи появления трещин в эксплуатации еще имеются. Поэтому при выполнении регламентных работ необходимо производить тщательный осмотр корпусов газосборника для своевременного выявления трещин.
Разрушение шпилек крепления корпуса турбины к газосборнику происходит в результате воздействия знакопеременных нагрузок, возникающих при вибрации узлов турбины под воздействием газового потока при работе двигателя. Способствующими факторами являются также термические напряжения в деталях из-за неравномерности их нагрева и охлаждения при изменении режимов работы двигателя или при местном увеличении температуры газов. Строгое соблюдение рекомендуемых режимов прогрева и охлаждения двигателя, а также обеспечение запуска без превышения допустимого заброса температуры газов способствует повышению надежности работы шпилек. Однако их разрушение возможно и при соблюдении всех требований по температуре газов, поскольку является следствием конструктивного несовершенства узла.