В 750 000 долл. оценивается стоимость деталей для замены комплекта лопаток 3-й ступени лопастей вентилятора компрессора низкого давления (LPC). Федеральная авиационная администрация США (FAA) сообщила, что между 2017 и июнем 2019 года были получены данные о 21 случае отказа лопаток турбины низкого давления (LPT) 3-й ступени. Предполагается, что эти сбои были вызваны ударным повреждением, возникающим при прохождении посторонних предметов через двигатель. Директива по летной годности требует замены лопаток 3-й ступени LPT действует с 21 мая.
Если не принять меры, это может привести к: неконтролируемому разрушению лопаток 3-й ступени LPT, выходу из строя одного или обоих двигателей и потере контроля тяги; и потере самолета.
Необходимые действия должны быть выполнены при следующем проведении регламентных работ двигателя. Любые лопатки 3-й ступени LPT с сомнительными номерами деталей должны быть сняты с эксплуатации и заменены подходящими для установки.
Проблема не нова
Надежность и долговечность газотурбинных двигателей (ГТД) в целом определяются работоспособностью наиболее ответственных и нагруженных элементов, каковыми являются рабочие лопатки ГТД.
Согласно FAA, производитель определил необходимость замены лопаток 3-й ступени LPT на лопатки LPT, сделанные из другого материала, который более устойчив к ударным повреждениям.
Совершенство двигателя определяют лопатки турбин
Мощность любого теплового двигателя определяет температура рабочего тела - в случае реактивного двигателя это температура газа, вытекающего из камер сгорания. Чем выше температура газа, тем мощнее двигатель, тем больше его тяга, тем выше экономичность и лучше весовые характеристики.
В газотурбинном двигателе имеется воздушный компрессор. Его приводит во вращение газовая турбина, находящаяся с ним на одном валу. Компрессор сжимает атмосферный воздух до 6-7 атмосфер и направляет его в камеры сгорания, куда впрыскивается топливо - керосин. Поток вытекающего из камер раскаленного газа - продуктов сгорания керосина - вращает турбину и, вылетая через сопло, создает реактивную тягу и движет самолет.
Высокие температуры, возникающие в камерах сгорания и высокие скорости вращения потребовали создания новых технологий и применения новых материалов для конструирования одного из наиболее ответственных элементов двигателя - статорных и роторных лопаток газовой турбины. Они должны в течение многих часов, не теряя механической прочности, выдерживать огромную температуру, при которой многие стали и сплавы уже плавятся. В первую очередь это относится к лопаткам турбины - они воспринимают поток раскаленных газов, нагретых до температуры до 1950 К, а в новых двигателях она дойдет до 2000-2200 К. Для них уже разработаны высокожаропрочные сплавы, содержащие до пятнадцати элементов таблицы Менделеева, в том числе рений и рутений, и теплозащитные покрытия, в которые входят никель, хром, алюминий и иттрий, а в перспективе - керамические из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия.
Напряжения и повреждения
Силовая напряженность, теплонагруженность и повреждаемость деталей ГТД зависят от режимов работы двигателя, то есть зависят от функционального назначения двигателя.
При попадании во входное устройство двигателя постороннего предмета первыми движущимися деталями на его пути являются лопатки рабочего колеса осевого компрессора. Так как в компрессорах каждый следующий за рабочим колесом ряд направляющих лопаток неподвижен и препятствует любому движению посторонних частиц, сообщаемому им рабочими лопатками, то в многоступенчатом компрессоре при попадании посторонних предметов повреждения наносятся большей части всех лопаток.
Чувствительность осевого компрессора к повреждению от попадания посторонних предметов определяется консольным типом крепления лопаток и наличием у них тонких входных и выходных кромок. Если постороннее тело небольшое, а лопатки обычно изготавливают из легированных сталей и титановых сплавов, то непосредственный удар тела редко приводит к разрушению лопатки. Повреждение заключается, главным образом, в появлении небольших забоин и рисок на профиле лопатки. Эти повреждения сами по себе не опасны, но они, являясь концентраторами напряжений, увеличивают уровень локальных вибронапряжений и повышают вероятность разрушения лопаток от усталости.
В авиационной промышленности действует отраслевой стандарт, который предназначен для определения механических повреждений, допустимых при эксплуатации или подлежащих исправлению при различном виде ремонтах, или требующих замены поврежденных лопаток на двигателе. Стандарт четко определяет величины механических повреждений, допустимых при эксплуатации. Стандарт нормирует величины повреждений, которые подлежат ремонту или не допустимы на лопатках при эксплуатации, а также зоны, в которых такие повреждения не допускаются.
Но на лопатки турбин, кроме действия высоких температур, воздействуют также термические напряжения, возникающие при сменах режимов работы турбины, а также высокотемпературный коррозионно-эрозионный газовый поток. Важной причиной разрушения и снижения несущей способности турбинных лопаток также являются: – вибрационные напряжения и, как следствие, разрушение от усталости; – термическая усталость; – изменение свойств и структуры поверхностных слоев металла лопаток от длительной работы при высокой температуре; – коррозионно-эрозионные повреждения; – повреждения по механизму ползучести.
Источником возбуждения вибраций лопаток являются импульсы, возникающие при прохождении рабочих лопаток мимо сопловых лопаток. Вибрации могут возбуждаться также в результате неравномерностей, создаваемых газовыми потоками из отдельных камер сгорания.
Характерны также разрушения от совместного действия статической и вибрационной нагрузок. В этом случае разрушение происходит в корневом сечении пера или по ножке хвостовика елочного типа. Обычно трещины располагаются на входной и выходной кромках, иногда со стороны спинки лопатки. Скорость развития трещины зависит от ее положения по длине лопатки. Радиальные трещины на конце лопатки развиваются медленно и менее опасны по сравнению с поперечными, которые развиваются быстрее под действием центробежных сил, особенно у корневого сечения и по хвостовику лопатки.
