Главная страница >  Цитатник 

Предыстория опытно-конструкторской доводки двигателя РД-45ФА - главная причина катастрофы

Проверка работоспособности маршевых газотурбинных двигателей в реальных условиях

ПРЕДЫСТОРИЯ ОПЫТНО-КОНСТРУКТОРСКОЙ ДОВОДКИ ДВИГАТЕЛЯ РД-45ФА - ГЛАВНАЯ ПРИЧИНА КАТАСТРОФЫ

После обмена техническим опытом мне стало понятно, почему в Англии отсутствуют катастрофы исправных серийных самолетов при их массовой эксплуатации, соответствующей всем нормам, по причине отказа двигателей. Каждый маршевый ГТД на заводах фирмы исследовался в высотной термобарокамсре, после этого в конструкцию вносились изменения. Далее разработчики осуществляли проверку ГТД в реальных условиях с учетом всевозможных негативных факторов - негативного комплекса: неблагоприятного сочетания конструктивно-производственных и эксплуатационно-метеорологических факторов. Для решения этой проблемы они использовали специально переделанный самолет-снаряд ФАУ-2 управляемый с земли радаром и оборудованный системой автоматической регистрации параметров полета. На нем был испытан малогабаритный маршевый ГТД спортивной авиации в условиях воздействия эксплуатационно-метеорологических факторов. При этом серийный маршевый ГТД был размешен в носовой части фюзеляжа самолета-снаряда, а проверяемый опытный - в киле. Успех оказался потрясающим. Затем по такому прототипу был построен универсальный специализированный самолет, на котором были проверены на работоспособность двигатели НИН-1 и Дервент V, строящиеся у нас по лицензии под индексами РД-45 и РД-500 на нескольких серийных заводах. Двигатель НИН-1 у англичан эксплуатировался на истребителях «Вампир», «Метеор», «Шутинг-Стар», Е-10/44 и не имел ни одного летного происшествия по вине конструкции. Это обусловлено научной отработкой и тщательной проверкой конструкции.

В свое время английская делегация, прибывшая во главе с министром авиации лордом Эмери на Запорожский моторостроительный завод, интересовалась производством ГТД. При ответном визите делегация нашего завода ознакомилась с изготовлением и капитальном ремонтом авиационных двигателей на заводах фирмы «Роллс-Ройс» в Беркли.

В 1966 и 1967 гг. из летных школ нашей страны и Китая поступили сообщения о катастрофах самолетов УТИ МиГ-15 с двигателями РД-45ФА. Эти катастрофы тогда были объяснены ошибками пилотирования. Характерно, что катастрофы сопровождались пожарами на земле.

Из общения с английской делегацией стало известно, что отработку азротермоакустики ТРД по контракту с фирмой «Роллс-Ройс» производил известный ученый в области волновой механики профессор Кембриджского университета М.Дж. Лайтхилл. По результатам исследования он и создал теорию квадрупольного шума реактивной струи ТРД.

По законам математической статистики (в случае массовой эксплуатации и стихийно сформировавшемся негативном комплексе факторов) во всех странах мира эпизодически падают и разбиваются во время взлета либо повторного захода на посадку, с применением форсированного режима двигателей, серийно строящиеся учебные, военные, гражданские и правительственные самолеты.

В 1968 г. произошла катастрофа самолета-спарки МиГ-15 №18 с двигателем РД-45ФА, пилотируемого Ю.А. Гагариным и инструктором пилотажа Космического центра В.С. Серегиным, которая окончательно убедила меня в тещ что причину надо искать в маршевом двигателе.

Аналогичная ситуация наблюдается в энергетике, где известны случаи самопроизвольного разрушения топок тепловых электростанций на форсированном режиме работы, в ракетной технике - разрушение жидкостных и ракетных двигателей.

Как показал анализ параметров, записанных системой автоматической регистрации, которой были снабжены самолеты, потерпевшие катастрофу, одной из причин самолетов при сформировавшемся негативном комплексе факторов является заглохание маршевого ГТД в полете либо возникшее вибрационное горение, разрушающее конструкцию.

Аварии двигателей РД-45ФА при стендовых испытаниях

Теория лопаточных машин в настоящем состоянии не может упредить эти процессы. Поэтому в практике авиадвигателестроения эти процессы исключают из эксплуатационного диапазона дополнительной экспериментальной отработки изделия.

На Запорожском моторном заводе при кратковременных сдаточных 32-минутных стендовых испытаниях (из них 15 с - на режиме автофретирования) разрушился диск турбины по диаметральному сечению (рис. 7 и 8) на двигателе РД-45ФА № 8424502 Рис. Разрушение диска турбины из сплава ХН10К двигателя РД-45ФА №84245025 по диаметральному сечению после 32 мин стендовых сдаточных испытаний (из них 15 с - на режиме автофретирования).

На Уфимском моторном заводе при кратковременных стендовых сдаточных испытаниях (30 мин) на двигателе РД-45ФА № 52145171 в конце режима автофретирования (15 с) в центре ступичной части диска турбины была обнаружена трещина длинной 60 мм (рис. 6). Рис. Разрушение диска турбины в центре ступичной части при кратковременных сдаточных испытаниях двигателя РД-45ФА № 52155171 после 30 мин (из них 15 с - на режиме автофретирования).

Диски турбин были изготовлены из сплава ХН10К. Двигатели имели жаровые трубы измененной конструкции по сравнению с конструкцией жаровой трубы лицензионного двигателя НИН-1: в среднюю секцию жаровой трубы был введен пояс дополнительных отверстий в количестве 90, диаметром 3,5 мм, согласно бюллетеню № 50-ИК (рис. 9). Рис. Изменение конструкции жаровой трубы двигателя НИН-1 фирмы «Роллс-Ройс" на лицензионном двигателе РД-45ФА (Уфимский двигателестроительный завод).

Рис. Профиль сечения излома диска турбины с очагом разрушения, сдвинутым от центра на 1/4 радиуса диска температурным полем.

На обоих дисках их полотна имели цвета побежалости, свидетельствующие о дополнительном нагреве ступичной чисти. Газовое лабиринтное уплотнение было полуразрушено и имело большое коробление. Через его щели протекал горячий газ, нагревал ступичную часть, снижал прочность сплава и вызывал от действия массовых сил разрушение диска.

Материал дисков и механические характеристики прочности были в соответствии с техническими условиями.

Определяем величину критерия вибрационного горения согласно теории АКАГАС ГТМ [13]:

В этом случае целесообразно провести прогнозирование критерием вибрационного горения дня установления причины в связи с нагревом.

Оценка влияния изменения конструкции жаровых труб на работоспособность маршевого двигателя РД-45ФА, произведенного Уфимским моторным заводом, согласно бюллетеню № 50-ИК

Численные значения критерия указывают на возможное возникновение в камерах сгорания этого двигателя вибрационного трения при сформировавшемся негативном комплексе факторов, вызывающего разрушение газового лабиринтного уплотнения и дисков турбин. Такой прогноз подтверждается структурными признаками разрушившихся деталей [20].

В камерах сгорания двигателя РД-45ФА совершается бипериодический автоколебательный аэротермоакустический процесс генерации горячего газа пульсатором и осциллятором горения при сжигании мелкораспыленного керосина в турбулентном потоке воздуха [13, 14].

В соответствии с критериями теории АКАТАС ГТМ было указано, что при стихийно сформировавшемся негативном комплексе факторов двигатель РД-45ФА, переведенный в полете на взлетный режим, может заглохнуть. В процессе стендовых наземных испытаний было показано, что на режиме автофретирования диска турбины может возникнуть вибрационное горение, разрушающее его конструкцию. Раскроем причину этого явления.

В этом случае вторая собственная частота АКАТАС ГТД увеличилась на:

Оценим изменение акустической проводимости двуполостного резонатора Бойса, представляющего собой камеру сгорания ГТД, от введения дополнительного пояса отверстий в жаровой трубе (см, рис. 9):

Частоту возбуждающей силы пульсатора горения определим через индукционный период, равный периоду пульсатора горения ( i = v). По экспериментальным данным, топливно-воэдушная смесь пульсирует в зоне воспламенения, отстоящей на 80 мм от сопла топливной форсунки на режиме автофретирования двигателя. Скорость V смеси в потоке равна 105 м/с; тогда:

и составила:

где Р = 4,2 кг/см2; Т = 2000 К; Е = 1,717 108 Дж/кмоль; R = 0,831 10-4 Дж/кмоль K для керосина. Тогда:

Ввиду важности этого результата уточним его по эмпирической формуле, установленной опытами для режима автофретирования диска турбины этого типа двигателя:

Определим процентную разницу частоты возбуждения пульсатора горения с собственной частотой системы:

По периоду пульсатора горения вычислим частоту его пульсаций:

Введение дополнительного пояса из 90 отверстий диаметром 3,5 мм в промежуточную секцию жаровой трубы на Уфимском моторном заводе, согласно бюллетеню № 50-ИК, приблизило вторую собственную частоту АКАТАС к частоте возбуждающей силы пульсатора горения, и в нелинейной системе возник авторсзонанс на взлетном режиме двигателя при сформировавшемся комплексе негативных факторов [15].

Полученный числовой результат указывает на близость частот в автоколебательной системе горения двигателя РД-45ФА. Отсюда следуют весьма важные выводы.

Во время кратковременных стендовых сдаточных испытаний при сформировавшемся комплексе негативных факторов и переводе двигателя РД-45ФА со взлетного на режим автофретирования диска турбины синфазные резонансные автоколебания второй гармоники пульсатора горения со второй собственной частотой системы порождают вибрационное горение, разрушающее элементы конструкции двигателя: жаровые трубы, газовое лабиринтное уплотнение, лопатки, диск турбины и др.

При переводе двигателя РД-45ФА на взлетный режим работы при сформировавшемся комплексе негативных факторов во время снижения самолета в аэрозольной среде нижнего слоя облаков резонансная пульсация сгоревшей переобогащенной рабочей газовой смеси большой резонансной амплитудой сорвала огневой факел в камерах сгорания - и двигатель заглох. Этот двигатель запустить в полете на больших оборотах (n= 11000 об/мин) невозможно [8], так как факел, воспроизводимый пусковой системой, мгновенно гаснет в интенсивном потоке движущейся с большой скоростью аэрозольной среды.

1) неблагоприятное сочетание конструктивно-производственных, эксплуатационно-метеорологических и географических факторов, обусловивших заглоханис маршевого двигателя РД-45ФА на высоте примерно 1280 м;

Подводя итог сказанному, истинными причинами авиакатастрофы, вытекающими из анализа событий на последнем участке полета и синтеза результатов исследования, можно считать следующие:

3) наличие березовой рощи на пути снижения самолета с авторотирующим двигателем в отсутствие реактивной тяги;

2) невозможность запуска заглохшего и полете двигателя на высоких оборотах его ротора (более 3500 об/мин);

5) оснащенность летчиков высотными катапультами вместо низковысотных. .

4) отсутствие проверки двигателя на заглохание в критических условиях;





Далее:
ВОЗВРАЩЕНИЕ НА ЛУНУ.
Предисловие.
Константин Феоктистов, «Траектория жизни».
Командировки.
Человек в космосе, а что дальше?.
ЛЕОНОВ Алексей Архипович.
Космические марки не включенные в основной список.
Голованов Я.К. «Кузнецы грома».
Grissom Virgil.


Главная страница >  Цитатник