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.