vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2021-66-3-307-319vestift-682Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕ, МЕХАНИКАMECHANICAL ENGINEERING AND MECHANICSЗависимость термогазодинамических параметров работы компрессора вертолетного газотурбинного двигателя от его наработки и запыленности атмосферыDependence of thermogasodynamic parameters of operation of a helicopter gas turbine engine on its operation and dust in the atmosphereПотаповВ. А.PotapovV. A.

Потапов Вячеслав Александрович – научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории

ул. Уборевича, 77, 220096, Минск

Vyacheslav A. Potapov – Researcher at the Research Laboratory

77, Uborevich Str., 220096, Minsk

potapstark@gmail.comСанькоА. А.SankoA. A.

Санько Андрей Анатольевич – кандидат технических наук, начальник кафедры воздушных судов и авиационного оборудования

ул. Уборевича, 77, 220096, Минск

Andrey A. Sanko – Ph. D. (Engineering), Head of the Department of Aircraft and Aviation Equipment

77, Uborevich Str., 220096, Minsk

min.777.144@mail.ruКудинМ. В.KudinM. V.

Кудин Максим Валентинович – кандидат технических наук, начальник отдела информационных технологий

ул. Уборевича, 77, 220096, Минск

Maxim V. Kudin – Ph. D. (Engineering), Head of the Information Technologies Department

77, Uborevich Str., 220096, Minsk

Oit.bsaa@gmail.comБелорусская государственная академия авиацииBelarusian State Aviation Academy202108102021663307319Copyright © Потапов В.А., Санько А.А., Кудин М.В., 20212021Потапов В.А., Санько А.А., Кудин М.В.Potapov V.A., Sanko A.A., Kudin M.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/682

Посредством сканирования лопаток рабочего колеса и направляющих аппаратов натурного компрессора вертолетного газотурбинного двигателя (ГТД) разработана твердотельная расчетная модель компрессора с перестраиваемой геометрией по высоте лопаток. Представлены эмпирические зависимости величин нелинейного износа лопатки 1-й ступени компрессора от времени наработки и концентрации пыли в воздухе. Приведена блок-схема процедуры расчета характеристики и параметров компрессора вертолетного ГТД. При расчете течения потока в газовоздушном тракте компрессора применяется численное решение уравнений Навье–Стокса, осредненных по Рейнольдсу, метод конечных элементов в сочетании с установлением закономерностей эрозионного износа лопаток в зависимости от условий эксплуатации двигателя. С использованием моделирования получены математические зависимости термогазодинамических параметров работы компрессора вертолетного ГТД от его наработки и запыленности атмосферы. Полученные результаты могут быть использованы при разработке методики автоматизированного контроля состояния износа лопаток компрессора вертолетного газотурбинного двигателя по его термогазодинамическим параметрам применительно к различным климатическим условиям эксплуатации.

By scanning the blades of the impeller and the guide devices of the full-scale compressor of the helicopter gas turbine engine, a solid-state design model of the compressor with a tunable geometry in the height of the blades was developed. The empirical dependencies of the values of nonlinear wear of the blade of the 1st stage of the compressor on the operating time and the concentration of dust in the air are presented. A block diagram of the procedure for calculating the characteristics and parameters of a helicopter gas turbine compressor is presented. When calculating the flow in the gas–air path of the compressor, the numerical solution of the Navier–Stokes equations averaged by Reynolds, the finite element method in combination with the establishment of patterns of erosive wear of the blades depending on the operating conditions of the engine is used. Mathematical dependencies of the thermogasodynamic parameters of the helicopter gas turbine compressor operation on its operating time and the dustiness of the atmosphere are obtained using modeling. The obtained results can be used in the development of a methodology for automated monitoring of the wear condition of the compressor blades of a helicopter gas turbine engine according to its thermogasodynamic parameters, applied to various climatic operating conditions.

газотурбинный двигательхарактеристика компрессорамоделированиехорда лопаткизависимости эрозионного износаgas turbine enginecompressor characteristicsmodelingblade chorderosive wear dependenciesReferencesВертолетные газотурбинные двигатели / В. А. Григорьев [и др.]. – М.: Машиностроение, 2007. – 491 с.Grigor’ev V. A., Zrelov V. A., Ignatkin Yu. M., Kuz’michev V. S., Ponomarev B. A., Shakhmatov E. V. Helicopter Gas Turbine Engines. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2007. 491 p. (in Russian).Маслеников, М.М. Газотурбинные двигатели для вертолетов / М.М. Маслеников, Ю.Г. Бехли, Ю.И. Шальман. – М.: Машиностроение, 1969. – 202 с.Maslenikov M. M., Bekhli Yu. G., Shal’man Yu. I. Gas Turbine Engines for Helicopters. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1969. 202 p. (in Russian).Neilson, J. Erosion by a stream of solid particle wear / J. Neilson, A. Gilchrist // Wear. – 1968. – Vol. 11, № 2. – P. 111–122. https://doi.org/10.1016/0043-1648%2868%2990591-7Neilson J., Gilchrist A. Erosion by a stream of solid particle wear. Wear, 1968, vol. 11, no. 2, pp. 111–122. https://doi.org/10.1016/0043-1648%2868%2990591-7Tabakoff, W. Blade deterioration in a gas turbine engine / W. Tabakoff, A. Hamed, V. Shanov // International Journal of Rotating Machinery. – 1998. – Vol. 4, № 4. – P. 233–241. https://doi.org/10.1155/S1023621X98000190Tabakoff W., Hamed A., Shanov V. Blade deterioration in a gas turbine engine. International Journal of Rotating Machinery, 1998, vol. 4, no. 4, pp. 233–241. https://doi.org/10.1155/S1023621X98000190Hussein, M. Dynamic behavior of solid particles suspended by polluted flow in a turbine stage / M. Hussein, W. Tabakoff // J. Aircraft. – 1973. – Vol. 10, № 7. – P. 434–440. https://doi.org/10.2514/3.60244Hussein M., Tabakoff W. Dynamic behavior of solid particles suspended by polluted flow in a turbine stage. Journal of Aircraft, 1973, vol. 10, no. 7, pp. 434–440. https://doi.org/10.2514/3.60244Grant, G. Erosion Prediction in Turbomachinery Resulting from Environmental Solid Particles / G. Grant, W. Tabakoff // J. Aircraft. – 1975. – Vol. 12, № 5. – P. 471–478. https://doi.org/10.2514/3.59826Grant G., Tabakoff W. Erosion Prediction in Turbomachinery Resulting from Environmental Solid Particles. Journal of Aircraft, 1975, vol. 12, no. 5, pp. 471–478. https://doi.org/10.2514/3.59826Hamed, A. Erosion and deposition in turbomachinery / A. Hamed, W. Tabakoff // Journal of Propulsion and Power. – 2006. – Vol. 22, № 2. – P. 350–360. https://doi.org/10.2514/1.18462Hamed A., Tabakoff W. Erosion and deposition in turbomachinery. Journal of Propulsion and Power, 2006, vol. 22, no. 2, pp. 350–360. http://doi.org/10.2514/1.18462Потапов, В. А. Моделирование характеристик многоступенчатого осевого компрессора турбовального ГТД с учетом нелинейности эрозионного износа его лопаток / В. А. Потапов, А. А. Санько // Науч. вестн. МГТУ ГА. – 2020. – Т. 23, № 5. – C. 39–53. https://doi.org/10.26467/2079-0619-2020-23-5-39-53Potapov V. A., Sanko A. A. Performance simulation of multi-stage axial-flow compressor of turbo-shaft engine with account for erosive wear nonlinearity of its blades. Nauchnyi vestnik MGTU GA= Civil Aviation High Technologies, 2020, vol. 23, no. 5, pp. 39–53 (in Russian). https://doi.org/10.26467/2079-0619-2020-23-5-39-53Барышева, Е. С. Моделирование характеристик многоступенчатого осевого компрессора авиационного двигателя с учетом эрозионного износа лопаток / Е. С. Барышева, А. Е. Демин, Р. Л. Зеленский // Авиационнокосмическая техника и технология. – 2017. – № 6 (141) – С. 58–64.Barysheva E. S., Demin A. E., Zelenskii R. L. Modeling of the characteristics of multistage axial compressor jet engine taking into account erosion wear of the blades. Aviatsionno-kosmicheskaya tekhnika i tekhnologiya = Aerospace Engineering and Technology, 2017, no. 6 (141), pp. 58–64 (in Russian).Бойко, Л. Г. Метод расчета термогазодинамических параметров турбовального ГТД на основе повенцового описания лопаточных машин. Ч. I. Основные уравнения / Л. Г. Бойко, О. В. Кислов, Н. В. Пижанкова // Авиационнокосмическая техника и технология. – 2018. – № 1 (145). – С. 48–58.Boyko L. G., Kislov O. V., Pizhankova N. V. Method for calculating the thermogasodynamic parameters of a turboshaft gas turbine engine based on the blade-to-blade description of shovel machines. Part I. Basic equations. Aviatsionnokosmicheskaya tekhnika i tekhnologiya [Aerospace Engineering and Technology], 2018, no. 1 (145), pp. 48–58 (in Russian).Бойко, Л. Г. Метод расчета термогазодинамических параметров турбовального газотурбинного двигателя на основе повенцового описания лопаточных машин. Ч. II. Определение параметров ступеней и многоступенчатых компрессоров / Л. Г. Бойко, А. Е. Демин, Н. В. Пижанкова // Авиационно-космическая техника и технология, 2019. – № 1 (153). – С. 18–28.Boyko L. G., Demin A. E., Pizhankova N. V. Method for calculating the thermogasodynamic parameters of a turboshaft gas turbine engine based on the blade-to-blade description of shovel machines. Part II. Determination of the parameters of stages and multistage compressors. Aviatsionno-kosmicheskaya tekhnika i tekhnologiya [Aerospace Engineering and Technology], 2019, no. 1 (153), pp. 18–28 (in Russian).Бойко, Л. Г. Определение дроссельной характеристики турбовального ГТД на основе метода математического моделирования с использованием одно- и двумерных подходов к расчету параметров компрессора / Л. Г. Бойко, В. А. Даценко, Н. В. Пижанкова // Авиационно-космическая техника и технология. – 2019. – № 7 (159). – С. 21–30.Boyko L. G., Datsenko V. A., Pizhankova N. V. Determination of the throttle characteristics turboshaft GTD-based me-Toda of mathematical modeling using one- and two-dimensional approaches to the calculation of the parameters of the compressor. Aviatsionno-kosmicheskaya tekhnika i tekhnologiya [Aerospace Engineering and Technology], 2019, no. 7 (159), pp. 21–30 (in Russian).Гумеров, А. В. Моделирование эрозионного износа лопатки компрессора / А. В. Гумеров, Р. Г. Акмаледтинов // Вестн. Самар. гос. аэрокосм. ун-та. – 2011. – № 3 (27). – С. 233–239.Gumerov A. V., Akmaledtinov R. G. Modeling of erosion wear of the compressor blade. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta [Bulletin of the Samara State Aerospace University], 2011, no. 3 (27), pp. 233– 239 (in Russian).Двирник, Я. В. Влияние пылевой эрозии на газодинамические характеристики осевого компрессора ГТД / Я. В. Двирник, Д. В. Павленко // Вестн. двигателестроения. – 2017. – № 1. – С. 56–66.Dvirnik Ya. V., Pavlenko D. V. Influence of Dust Erosion on Gas-Dynamic Characteristics of a GTE Axial Compressor. Vestnik dvigatelestroeniya [Bulletin of Engine Building], 2017, no. 1, pp. 56–66 (in Russian).Двирник, Я. В. Методика моделирования течения потока в осевом компрессоре ГТД численным методом / Я. В. Двирник, Д. В. Павленко // Вестн. двигателестроения. – 2014. – № 1. – С. 34–40.Dvirnik Ya. V., Pavlenko D. V. Methodology for modeling the flow flow in an axial compressor of a gas turbine engine by a numerical method. Vestnik dvigatelestroeniya [Bulletin of Engine Building], 2014, no. 1, pp. 34–40 (in Russian).Богданов, А. Д. Турбовальный двигатель ТВЗ-117ВМ: конструкция и техническое обслуживание: учеб. пособие / А. Д. Богданов, Н. П. Калинин, А. И. Кривко. – М.: Воздуш. транспорт, 2000. – 392 с.Bogdanov A. D., Kalinin N. P., Krivko A. I. Turboshaft Engine TV3-117VM: Design and Maintenance. Moscow, Vozdushnyi transport Publ., 2000. 392 p. (in Russian).Азаров, Б. Ф. Использование технологии наземного лазерного сканирования для создания 3d-модели лопатки осевого вентилятора / Б. Ф. Азаров // Ползунов. вестн. – 2017. – № 4. – С. 92–97.Azarov B. F. The use of ground-based laser scanning technology for creating a 3D model of an axial fan blade. Polzunovskiy vestnik, 2017, no. 4, pp. 92–97 (in Russian).Geomagic-Design X [Electronic resource] – Mode of access: https://www.3dsystems.com/software/geomagicdesign-x/ – Date of access: 24.03.2021.Geomagic-Design X. Available at: https://www.3dsystems.com/software/geomagic-design-x (accessed 24 March 2021).Шаблий, Л. С. Параметрическое моделирование лопаточных машин при оптимизации / Л. С. Шаблий, Д. А. Колмакова, А. В. Кривцов // Изв. Самар. науч. центра Рос. акад. наук. – 2013. – Т. 15, № 6 (4). – C. 1013–1018.Shabliy L. S., Kolmakova D. A., Krivtsov A. V. Parametric modeling of shovel machines in optimization. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiiskoi akademii nauk = Izvestia of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, 2013, vol. 15, no. 6 (4), pp. 1013–1018 (in Russian).Пузанова, А. В. Сравнение экспериментальных данных с результатами численного моделирования течения в ступени осевого компрессора полученных при использовании k- и SST модели турбулентности / А. В. Пузанова, С. А. Серков // Труды третьей научно-технической конференции молодых ученых Уральского энергетического института. – Екатеринбург: УрФУ, 2018. – С. 126–131.Puzanova A. V., Serkov S. A. Comparison of experimental data with the results of numerical simulations of flow in a stage of an axial compressor obtained using the k- and SST turbulence model. Trudy tret’ei nauchno-tekhnicheskoi konferentsii molodykh uchenykh Ural’skogo energeticheskogo instituta [Proceedings of the Third Scientific and Technical Conference of Young Scientists of the Ural Power Engineering Institute]. Yekaterinburg, Ural Federal University, 2018, pp. 126–131 (in Russian).Павленко, Д. В. Закономерности изнашивания рабочих лопаток компрессора вертолетных двигателей, эксплуатирующийся в условиях запыленной атмосферы / Д. В. Павленко // Вестн. двигателестроения. – 2016. – № 1. – С. 42–51.Pavlenko D. V. Regularities of wear of the working blades of the compressor of helicopter engines operated in the conditions of a dusty atmosphere. Vestnik dvigatelestroeniya [Bulletin of Engine Building], 2016, no. 1, pp. 42–51 (in Russian).Потапов, В. А. Анализ влияния запыленности атмосферы на износ лопаток осевого компрессора вертолетного газотурбинного двигателя в процессе эксплуатации / В. А. Потапов, А. А. Санько, Р. И. Хованский // Неразрушающий контроль и диагностика. – 2020. – № 4. – C. 32–38.Potapov V. A., San’ko A. A., Khovanskii R. I. Analysis of the influence of atmospheric dust on the wear of the blades of the axial compressor of a helicopter gas turbine engine during operation. Nerazrushayushchii kontrol’ i diagnostika [Non-Destructive Testing and Diagnostics], 2020, no. 4, pp. 32–38 (in Russian).Рыбкин, П.Н. Математическая модель двигателя ТВ3-117ВМ / П.Н. Рыбкин // Труды МАИ. – 2012. – Вып. 58. – С. 1–14.Rybkin P. N. A mathematical model of engine TV3-117VM. Trudy MAI [Proceedings of the Moscow Aviation Institute], 2012, issue 58, pp. 1–14 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.