Теория лопатки
Сегодня продолжим интересное о лопатках, и их хвостах и полках.
Распространёнными модификациями популярного двигателя CFM56 есть модификации:
- CFM56-3, устанавливаемые на Boeing-737 поколения Classic,
- CFM56-5, устанавливаемые на Airbus-320,
- CFM56-7, устанавливаемые на Boeing-737 поколения Next Generation.
На Airbus-320 могут устанавливаться двигатели альянса IAE - V2500.
Сейчас начинается выпуск этих самолётов в вариантах:
Boeing-737 MAX, где будут устанавливаться двигатели LEAP-1B; и
Airbus-320 NEO, где по выбору заказчика можно установить LEAP-1A или PW1100.
Этих новых самолётов пока мало в эксплуатации, и я по их двигателям мало что знаю, так что и постов по ним пока вот .
Как видно, двигатели семейства CFM56 являются основными на самых распространённых современных магистральных самолётах.
CFM - это совместная компания американской General Electric и французской Safran (бывшая Snecma).
Теперь пройдёмте ближе к телу.
Как уже было замечено ранее, основную тягу в вентиляторном двигателе создают лопатки вентилятора.
Лопатки эти работают в условиях больших центробежных и аэродинамических нагрузок. Лопатки вентиляторов классических двигателей имеют длину примерно 70 см, массу в единицы килограмм, и вращаются на взлётом режиме порядка 100 оборотов в секунду. Законцовка лопатки при этом описывает окружность диаметром около двух метров.
Лопатка при работе вращается на роторе и так движется относительно воздуха.
В результате взаимодействия расположенного на роторе ряда лопаток с воздухом этот воздух ускоряется и отбрасывается назад.
Он также закручивается вокруг оси двигателя.
Сразу сзади вращающихся лопаток вентилятора находится ряд неподвижных лопаток статора.
Аэродинамическая их роль заключается в том, что они раскручивают поток воздуха, приближая его к тому прямолинейному, с которым воздух влетал в воздухозаборник двигателя. Это позволяет использовать энергию, затраченную ротором на закручивание потока, для ускорения его и создания тяги.
Лопатки устанавливаются своими хвостовиками в пазы диска ротора.
При работе двигателя на лопатку действуют разные силы.
Так как приложены они не в одной точке, то их взаимодействие создаёт разные крутящие моменты, воздействующие на лопатку.
Эти моменты прилагаются в конечном счёте к хвостовику лопатки, в месте закрепления её в роторе.
Это и есть самая нагруженная часть лопатки.
Надо заметить, что на двигателях CFM56-7, которые устанавливаются на Боингах-737 NG, лопатки вентилятора установлены в пазах жёстко.
Это чревато изгибными напряжениями, так как, кроме радиальной центробежной силы, в этом случае на лопатку действуют ещё и изгибающие моменты от аэродинамических сил. А эти моменты могут быть переменными как в силу различных режимов работы двигателя, так и потому, что сзади лопаток ротора вентилятора находятся лопатки статора. И когда лопатка ротора проходит мимо ряда лопаток статора, то неравномерности воздушного потока могут вызывать вибрации лопаток.
Кроме того, что вибрации плохи для лопатки сами по себе, тут есть вот ещё какой момент.
Для изменения тяги двигателя пилот в конечном счёте меняет подачу топлива.
При этом меняется частота вращения ротора вентилятора.
При изменении частоты вращения ротора изменяется и частота воздействия аэродинамических и центробежных сил на лопатку.
В принципе, наверное, возможны варианты, когда эти частоты могут совпадать с собственными частотами колебаний лопаток, консольно закреплённых в диске.
Например, результаты расследования катастрофы рейса BMA92 указывают на флаттер лопатки вентилятора при сочетании некоторых факторов как на основную причину выхода двигателя из строя. Напоминаю, что флаттер - это самовозбуждающиеся колебания аэродинамической поверхности при воздействии на неё воздушного потока при некотором сочетании центра жёсткости и центра давления.
При расследовании было выявлено сочетание плотности воздуха, скорости и других факторов, приведших к разрушению предположительно до того повреждённой лопатки.
Итак, в двигателях CFM56-7 лопатки закреплены жёстко и консольно.
Мне это не очень нравится. Потому что жёсткое закрепление - это потенциальные ненужные изгибные напряжения в месте заделки.
Можно ли их избежать?
Можно.
Для этого лопатки надо закреплять с возможностью небольшого люфта, чтобы они могли самоустанавливаться в направлении действия результирующей силы.
На некоторых двигателях лопатки были с проушиной в хвостовике, и могли болтаться в окружном направлении.
На двигателях CFM56-3 и CFM56-5 лопатки также устанавливаются с люфтом.
Это легко заметно при вращении ротора, так как лопатки при прохождении верхней точки перескакивают от одного упора к другому.
Именно это вызывает характерный стук при вращении ротора вентилятора на небольшой скорости.
Это двигатель CFM56-3:
А вот CFM56-5:
Как видно, тут есть ещё один нюанс.
Лопатки стучатся тут своими пОлками.
Дело в том, что для демпфирования колебаний лопаток на них организованы выступы - пОлки.
И когда лопатки набираются в диск, то между их полками остаётся небольшой зазор.
Именно выборка этого зазора каждой лопаткой при медленном вращении ротора и вызывает стук.
И теперь главный вопрос нашего времени.
Почему же, если всё так хорошо у лопаток с полками, их не используют везде?
А не знаю.
Могу предположить, что полки своей массой вызывают дополнительное нагружение лопатки.
Могу предположить, что методы расчёта лопаток дошли до того, что и без полок они получаются вполне приличными.
Тем более что упомянутый случай с флаттером лопатки произошёл именно на лопатке с полкой.
В конце концов, отрывы лопаток сейчас - это явление единичное и чрезвычайное на десятки миллионов полётов каждый год.
А что касается недавнего происшествия, то Федеральная Авиационная Администрация США уже выпустила бюллетень об ультразвуковой проверке корневой части лопаток, возле места заделки в диск, на самолётах с двигателями CFM56-7, налетавших более 30 тыс. полётов.
http://rgl.faa.gov/Regulatory_and_Guidance_Library/rgad.nsf/0/6de148fe35ddeddb8625827500759aa4/$FILE/2018-09-51_Emergency.pdf
Интересным является тот момент, что авиакомпания Southwest Airlines имеет в своём флоте самые старые самолёты этого типа - самолёты 1997 года рождения всё ещё летают у них.
Неужели проблема жёсткой заделки начала проявляться со старением?
Кроме того, я бы подумал насчёт прочности воздухозаборника, коий целиком улетает в природу то ли от вибрации, то ли ещё и от повреждения.
На этих захватывающих вопросах мы и закончим сегодняшний рассказ.
Как говорится, летайте безопасно :)
Poll
Использованы материалы:
https://www.rolls-royce.com/products-and-services/civil-aerospace.aspx
http://lessonslearned.faa.gov/ll_main.cfm?TabID=2&LLID=62&LLTypeID=2#null
Какие-то фотки и рисунки взяты откуда-то.
Кстати, да - прекрасный рассказ про CFM56: http://avia-simply.ru/dvigatel-cfm56/
Распространёнными модификациями популярного двигателя CFM56 есть модификации:
- CFM56-3, устанавливаемые на Boeing-737 поколения Classic,
- CFM56-5, устанавливаемые на Airbus-320,
- CFM56-7, устанавливаемые на Boeing-737 поколения Next Generation.
На Airbus-320 могут устанавливаться двигатели альянса IAE - V2500.
Сейчас начинается выпуск этих самолётов в вариантах:
Boeing-737 MAX, где будут устанавливаться двигатели LEAP-1B; и
Airbus-320 NEO, где по выбору заказчика можно установить LEAP-1A или PW1100.
Этих новых самолётов пока мало в эксплуатации, и я по их двигателям мало что знаю, так что и постов по ним пока вот .
Как видно, двигатели семейства CFM56 являются основными на самых распространённых современных магистральных самолётах.
CFM - это совместная компания американской General Electric и французской Safran (бывшая Snecma).
Теперь пройдёмте ближе к телу.
Как уже было замечено ранее, основную тягу в вентиляторном двигателе создают лопатки вентилятора.
Лопатки эти работают в условиях больших центробежных и аэродинамических нагрузок. Лопатки вентиляторов классических двигателей имеют длину примерно 70 см, массу в единицы килограмм, и вращаются на взлётом режиме порядка 100 оборотов в секунду. Законцовка лопатки при этом описывает окружность диаметром около двух метров.
Лопатка при работе вращается на роторе и так движется относительно воздуха.
В результате взаимодействия расположенного на роторе ряда лопаток с воздухом этот воздух ускоряется и отбрасывается назад.
Он также закручивается вокруг оси двигателя.
Сразу сзади вращающихся лопаток вентилятора находится ряд неподвижных лопаток статора.
Аэродинамическая их роль заключается в том, что они раскручивают поток воздуха, приближая его к тому прямолинейному, с которым воздух влетал в воздухозаборник двигателя. Это позволяет использовать энергию, затраченную ротором на закручивание потока, для ускорения его и создания тяги.
Лопатки устанавливаются своими хвостовиками в пазы диска ротора.
При работе двигателя на лопатку действуют разные силы.
Так как приложены они не в одной точке, то их взаимодействие создаёт разные крутящие моменты, воздействующие на лопатку.
Эти моменты прилагаются в конечном счёте к хвостовику лопатки, в месте закрепления её в роторе.
Это и есть самая нагруженная часть лопатки.
Надо заметить, что на двигателях CFM56-7, которые устанавливаются на Боингах-737 NG, лопатки вентилятора установлены в пазах жёстко.
Это чревато изгибными напряжениями, так как, кроме радиальной центробежной силы, в этом случае на лопатку действуют ещё и изгибающие моменты от аэродинамических сил. А эти моменты могут быть переменными как в силу различных режимов работы двигателя, так и потому, что сзади лопаток ротора вентилятора находятся лопатки статора. И когда лопатка ротора проходит мимо ряда лопаток статора, то неравномерности воздушного потока могут вызывать вибрации лопаток.
Кроме того, что вибрации плохи для лопатки сами по себе, тут есть вот ещё какой момент.
Для изменения тяги двигателя пилот в конечном счёте меняет подачу топлива.
При этом меняется частота вращения ротора вентилятора.
При изменении частоты вращения ротора изменяется и частота воздействия аэродинамических и центробежных сил на лопатку.
В принципе, наверное, возможны варианты, когда эти частоты могут совпадать с собственными частотами колебаний лопаток, консольно закреплённых в диске.
Например, результаты расследования катастрофы рейса BMA92 указывают на флаттер лопатки вентилятора при сочетании некоторых факторов как на основную причину выхода двигателя из строя. Напоминаю, что флаттер - это самовозбуждающиеся колебания аэродинамической поверхности при воздействии на неё воздушного потока при некотором сочетании центра жёсткости и центра давления.
При расследовании было выявлено сочетание плотности воздуха, скорости и других факторов, приведших к разрушению предположительно до того повреждённой лопатки.
Итак, в двигателях CFM56-7 лопатки закреплены жёстко и консольно.
Мне это не очень нравится. Потому что жёсткое закрепление - это потенциальные ненужные изгибные напряжения в месте заделки.
Можно ли их избежать?
Можно.
Для этого лопатки надо закреплять с возможностью небольшого люфта, чтобы они могли самоустанавливаться в направлении действия результирующей силы.
На некоторых двигателях лопатки были с проушиной в хвостовике, и могли болтаться в окружном направлении.
На двигателях CFM56-3 и CFM56-5 лопатки также устанавливаются с люфтом.
Это легко заметно при вращении ротора, так как лопатки при прохождении верхней точки перескакивают от одного упора к другому.
Click to viewИменно это вызывает характерный стук при вращении ротора вентилятора на небольшой скорости.
Это двигатель CFM56-3:
А вот CFM56-5:
Как видно, тут есть ещё один нюанс.
Лопатки стучатся тут своими пОлками.
Дело в том, что для демпфирования колебаний лопаток на них организованы выступы - пОлки.
И когда лопатки набираются в диск, то между их полками остаётся небольшой зазор.
Именно выборка этого зазора каждой лопаткой при медленном вращении ротора и вызывает стук.
И теперь главный вопрос нашего времени.
Почему же, если всё так хорошо у лопаток с полками, их не используют везде?
А не знаю.
Могу предположить, что полки своей массой вызывают дополнительное нагружение лопатки.
Могу предположить, что методы расчёта лопаток дошли до того, что и без полок они получаются вполне приличными.
Тем более что упомянутый случай с флаттером лопатки произошёл именно на лопатке с полкой.
В конце концов, отрывы лопаток сейчас - это явление единичное и чрезвычайное на десятки миллионов полётов каждый год.
А что касается недавнего происшествия, то Федеральная Авиационная Администрация США уже выпустила бюллетень об ультразвуковой проверке корневой части лопаток, возле места заделки в диск, на самолётах с двигателями CFM56-7, налетавших более 30 тыс. полётов.
http://rgl.faa.gov/Regulatory_and_Guidance_Library/rgad.nsf/0/6de148fe35ddeddb8625827500759aa4/$FILE/2018-09-51_Emergency.pdf
Интересным является тот момент, что авиакомпания Southwest Airlines имеет в своём флоте самые старые самолёты этого типа - самолёты 1997 года рождения всё ещё летают у них.
Неужели проблема жёсткой заделки начала проявляться со старением?
Кроме того, я бы подумал насчёт прочности воздухозаборника, коий целиком улетает в природу то ли от вибрации, то ли ещё и от повреждения.
На этих захватывающих вопросах мы и закончим сегодняшний рассказ.
Как говорится, летайте безопасно :)
Poll
Использованы материалы:
https://www.rolls-royce.com/products-and-services/civil-aerospace.aspx
http://lessonslearned.faa.gov/ll_main.cfm?TabID=2&LLID=62&LLTypeID=2#null
Какие-то фотки и рисунки взяты откуда-то.
Кстати, да - прекрасный рассказ про CFM56: http://avia-simply.ru/dvigatel-cfm56/