1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 5, 2024

Теплоэнергетика, 2024, № 5, стр. 74-86

Оценка влияния эрозионного износа лопаток компрессора на его интегральные и локальные характеристики

В. Л. Блинов a, *, И. С. Зубков a, Г. А. Дерябин a

a Уральский энергетический институт УрФУ
620002 г. Екатеринбург, ул. Мира, д. 19, Россия

* E-mail: v.l.blinov@urfu.ru

Поступила в редакцию 01.10.2023
После доработки 12.12.2023
Принята к публикации 29.12.2023

Аннотация

Одними из ключевых задач при эксплуатации газотурбинных установок (ГТУ) являются оценка, контроль и прогнозирование технического состояния их узлов и элементов. В связи с этим различные прогностические системы, использующие статистические, экспериментальные и расчетные данные об изменении характеристик осевого компрессора (ОК) из-за возникающей эрозии, становятся весьма востребованными. В настоящей работе представлено описание подхода к созданию моделей эрозионно изношенных лопаток на основе статистической информации, находящейся в открытом доступе, об отказах установок вследствие эрозии лопаточного компрессора. Предложен математический аппарат задания степени износа лопаток, внесения изменения хорды эродированного профиля и учета неравномерности износа по высоте лопатки. Описана постановка задачи исследования влияния степени и характера эрозии на параметры работы компрессорной ступени численными методами. Представлены итоги промежуточных исследований по сравнению различных геометрических моделей эрозии и оценка их применимости для поточных расчетов при создании прогностической модели. Получены результаты расчетов трансзвуковой компрессорной ступени при различной степени эрозии ее лопаточного аппарата в широком диапазоне режимов работы и проанализирован выявленный характер деградации ее интегральных и локальных характеристик. При изучении различных степеней эрозионного износа для рассмотренной ступени установлено, что наличие эрозии приводит к снижению степени повышения давления до 3.31%, отношения температур до 1.55%, адиабатического КПД до 1.15% (абс.) и массового расхода по границе запирания ступени до 1.26%. При уменьшении частоты вращения ротора влияние износа уменьшается, а для изодромы (линии постоянной частоты вращения) 70% изменения интегральных характеристик не превышают 0.10%. В работе кратко обозначены возможные методы анализа результатов для построения зависимостей между степенью эрозионного износа и изменением интегральных характеристик компрессора, а также перспективные направления развития исследований.

Ключевые слова: газотурбинная установка, осевой компрессор, ступень, лопаточный аппарат, эрозионный износ, интегральные и локальные характеристики, вычислительная газовая динамика

Список литературы

  1. Burnes D., Kurz R. Performance degradation effects in modern industrial gas turbines // Proc. of the Global Power and Propulsion Society Forum (GPPS-18). Zurich, Switzerland, 10–12 Jan. 2018.

  2. Brandes T., Koch C., Staudacher S. Estimation of aircraft engine flight mission severity caused by erosion // J. Turbomach. 2021. V. 143. Is. 11. P. 111001. https://doi.org/10.1115/1.4051000

  3. Sallee G.P. Performance deterioration based on existing (historical) data: JT9D jet engine diagnostics program. NASA Lewis Research Center, 1978.

  4. Кривошеев И.А., Камаева Р.Ф., Струговец С.А. Особенности движения частиц пыли в проточной части и изменения геометрии лопаток компрессоров в процессе эксплуатации газотурбинных установок // Вестник УГАТУ. 2011. № 3 (43). С. 18–24.

  5. Исследование эрозионного износа лопаточного аппарата осевых турбокомпрессоров (обзор) / В.Л. Блинов, И.С. Зубков, С.В. Богданец, О.В. Комаров, Г.А. Дерябин // Теплоэнергетика. 2023. № 6. С. 41–55. https://doi.org/10.56304/S0040363623060024

  6. Computational fluid dynamics (CFD) based erosion prediction model in elbows / H. Hadziahmetovic, N. Hodzic, D. Kahrimanovic, E. Dzaferovic // Tehnicki Vjesnik – Technical Gazette. 2014. V. 21. No. 2. P. 275–282.

  7. De Pratti G.M. Aerodynamical performance decay due to fouling and erosion in axial compressor for GT aeroengines // Proc. of the 75th National ATI Congress – #7 Clean Energy for All (ATI 2020) (E3S Web of Conferences). Rome, Italy, 15–16 Sept. 2020. V. 197. P. 11002. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202019711002

  8. High velocity measurements of particle rebound characteristics under erosive conditions of high-pressure compressors / H. Sommerfeld, C. Koch, A. Schwarz, A. Beck // Wear. 2021. V. 470–471. P. 203626. https://doi.org/10.1016/j.wear.2021.203626

  9. Ghenaiet A., Tan S.C., Eder R.L. Experimental investigation of axial fan erosion and performance degradation // Proc. Inst. Mech. Eng. Part A: J. Power Energy. 2004. V. 218. Is. 6. P. 437–450. https://doi.org/10.1243/0957650041761900

  10. Experimental and numerical study of particle ingestion in aircraft engine / M.G. de Giorgi, S. Campilongo, A. Ficarella, M. Coltelli, V. Pfister, F. Sepe // Proc. of ASME Turbo Expo: Turbine Technical Conf. and Exposition. San Antonio, Texas, USA, 3–7 June 2013. https://doi.org/10.1115/GT2013-95662

  11. Блинов В.Л., Дерябин Г.А., Зубков И.С. Классификация уровня эрозии проточной части изолированной ступени осевого компрессора: Докл. на VI Междунар. науч.-техн. конф. “Энергетические системы” (ICES-2022). Белгород, Россия, БГТУ им. В.Г. Шухова, 22 дек. 2022 г. // Энергетические системы. 2022. Т. 7. № 1. С. 8–18. https://doi.org/10.34031/es.2022.1.001

  12. Reid L., Moore R.D. Design and overall performance of four highly loaded, high-speed inlet stages for an advanced high-pressure-ratio core compressor. NASA Lewis Research Center, 1978.

  13. Зубков И.С., Блинов В.Л. Разработка цифровой модели лопаточного аппарата для оценки влияния дефектов на характеристики работы осевого компрессора газотурбинной установки // Компрессорная техника и пневматика. 2021. № 1. С. 18–25.

  14. Denton J.D. Lessons from rotor 37 // J. Therm. Sci. 1997. V. 6. P 1–13. https://doi.org/10.1007/s11630-997-0010-9

  15. Cumpsty N.A. Some lessons learned // J. Turbomach. 2010. V. 132. Is. 4. P. 041018. https://doi.org/10.1115/1.4001222

  16. Блинов В.Л., Зубков И.С. Верификация расчетной модели трансзвуковой ступени для решения задач учета влияния эрозионного износа на работу осевого компрессора // Вестник Самар. ун-та. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2023. Т. 22. № 1. С. 51–62. https://doi.org/10.18287/2541-7533-2023-22-1-51-62

  17. CFD validation for propulsion system components / Ed. by J. Dunham // AGARD Advisory Report No. 355. AGARD, 1998. ISSN 0549-7221

  18. Tabakoff W., Lakshminarasimha A.N., Pasin M. Simulation of compressor performance deterioration due to erosion // J. Turbomach. 1990. V. 112. Is. 1. P. 78–83. https://doi.org/10.1115/1.2927424

  19. Dvirnyk Ya., Pavlenko D., Przysowa R. Determination of serviceability limits of a turboshaft engine by criterion of blade natural frequency and stall margin // Aerospace. 2019. V. 6. Is. 12. P. 132. https://doi.org/10.3390/aerospace6120132

  20. Гумеров А.В., Акмалетдинов Р.Г. Моделирование эрозионного износа лопатки компрессора // Авиационная и ракетно-космическая техника. 2011. № 3 (27). С. 233–239.

  21. Расчетное исследование влияния эрозионного износа на высотно-скоростные характеристики ТРДДФ / М.Б. Абдельвахид, А.Н. Черкасов, Р.М. Федоров, К.С. Федечкин // Вестник УГАТУ. 2014. № 3 (64). С. 16–22.

  22. Compressor airfoil protective coating for turbine engine fuel efficiency / G. Kilchenstein, F.M. Juarez, M. Moseley, J. Cheverie, M. Duffles, J. Acker // Proc. of the SAE 2013 AeroTech Congress & Exhibition. Montreal, Canada, 24–26 Sept. 2013. https://doi.org/10.4271/2013-01-2187

  23. Przedpelski Z.J. The T700-GE-700 engine experience in sand environment // J. Am. Helicopter Soc. 1984. V. 29. No. 4. P. 63–69. https://doi.org/10.4050/JAHS.29.63

  24. Performance deterioration of a turbofan and a turbojet engine upon exposure to a dust environment / M.G. Dunn, C. Padova, J.E. Moller, R.M. Adams // J. Eng. Gas Turbines Power. 1987. V. 109. Is. 3. P. 336–343. https://doi.org/10.1115/1.3240045

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал