Результат интеллектуальной деятельности: Способ испытания авиационного двигателя при проверке на отсутствие автоколебаний рабочих лопаток компрессора низкого давления

Изобретение относится к испытаниям авиационных двигателей, в частности к испытаниям по проверке на отсутствие автоколебаний рабочих лопаток компрессора низкого давления.

Испытания при проверке на отсутствие автоколебаний рабочих лопаток компрессора низкого давления проводятся на высотных стендах ЦИАМ при имитированных режимах полета самолета, наиболее тяжелых для проявления автоколебаний по линии максимальных нагрузок на крыло самолета, по зависимости М_макс=f(H_мин).

Зависимость М_макс=f(H_мин) реализуется в полете только на режиме полного форсажа двигателя, на котором площадь выходного сечения сопла регулируется по закону постоянства π*_т - отношения давления воздуха за компрессором высокого давления - Р*₂ к давлению газа за турбиной - Р*₄:

Р*₂/Р*₄=π*_т=const (см. фиг. 1),

где М - отношение скорости полета к скорости звука;

Н - высота полета.

Известен способ испытания авиационного двигателя по проверке на отсутствие автоколебаний рабочих лопаток компрессора низкого давления (RU 2426087 С1, 10.08.2011), выбранный за наиболее близкий аналог (прототип). Способ заключается в установке двигателя на стенд для высотных испытаний и испытание двигателя на бесфорсажных режимах с соплом в положении «Максимал», т.е. в положении сопла, при котором площадь его выходного сечения постоянна (не изменяется) и соответствует режиму максимальной тяги F_c=const на различных высотах от Н=0 до Н=Н_макс (см. фиг. 1) и на величинах давлений и температур перед входом в двигатель, соответствующих определенной высоте полета самолета и выбранных в диапазоне максимальных нагрузок на крыло самолета и в диапазоне частот вращения компрессора низкого давления от минимальных до максимальных оборотов.

Недостатком прототипа является низкая достоверность результатов испытаний на бесфорсажном режиме по проверке на отсутствие автоколебаний рабочих лопаток компрессора.

Низкая достоверность результатов испытания связана с отличием регулировок площади выходного сечения сопла на режимах проверки на отсутствие автоколебаний рабочих лопаток компрессора с соплом F_c=const и в реальных условиях эксплуатации двигателя в полете на форсажном режиме с регулировками сопла по закону π*_т=const.

Техническая проблема заключается в низкой достоверности результатов испытаний двигателя на бесфорсажном режиме с соплом в положении «Максимал» по проверке отсутствия автоколебаний рабочих лопаток компрессора низкого давления по линии максимальных нагрузок на крыло самолета, возникающих только на форсажных режимах.

Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении достоверности результатов испытаний двигателя на бесфорсажном режиме на отсутствие автоколебаний рабочих лопаток компрессора низкого давления.

Технический результат достигается тем, что способ испытания авиационного двигателя по проверке отсутствия автоколебаний рабочих лопаток компрессора низкого давления заключается в установке двигателя на стенд для высотных испытаний и испытании двигателя на расчетных величинах давлений и температур перед входом в двигатель, соответствующих определенной высоте полета самолета и выбранных в диапазоне максимальных нагрузок на крыло самолета и в диапазоне частот вращения компрессора от минимальных до максимальных оборотов. Перед испытанием во второй контур двигателя устанавливают устройство, загромождающее воздушный поток и увеличивающее уровень нагрузки первой ступени компрессора низкого давления. При этом испытание двигателя проводят на бесфорсажном режиме с регулированием площади выходного сечения сопла исходя из постоянства отношения давления воздуха за компрессором высокого давления к давлению газа за турбиной, соответствующего форсажному режиму двигателя, т.е. Р*₂/Р*₄=π*_т=const.

Сущность заявленного изобретения поясняется следующими иллюстрациями:

- на фиг. 1 представлены характеристики испытаний двигателя на бесфорсажном режиме с соплом в положении «Максимал» F_c=const на высотах от Н=0 до Н=Н_макс;

- на фиг. 2 представлены характеристики π*_т=f(n_1пр) двигателя при регулировании соплом в положении «Максимал» и π*_т=const.

Параметры перед двигателем определяются в соответствии с зависимостью М_макс=f(H_мин). Давление воздуха перед двигателем Р*₁ определяется по величине π(λ)=f(M) (Таблица газодинамических функций МАП ЦИАМ, 1956 г., с. 24-26) и давлению воздуха Р_н на соответствующей высоте с учетом коэффициента потерь давления на входе в двигатель по стандартной зависимости ЦАГИ - ЦИАМ: σ=f(M) и P*₁=σ×P_н/π(λ), а температура воздуха перед двигателем T*₁ - по величине τ(λ)=f(M) и температуре воздуха Т_н на той же высоте: T*₁=Т*_н=T_н/τ(λ). Испытания проводятся с нормированными дополнительными запасами - 3% по температуре и 10% по давлению.

Перед постановкой двигателя для стендовых испытаний специальным устройством в двигателе (например, постановкой заглушек во второй контур двигателя) уровень π*_к/G_в (G_в - расход воздуха через двигатель, π*_к - степень сжатия воздуха первой ступени компрессора низкого давления) первой ступени компрессора низкого давления увеличивают на 2% с целью создания более тяжелых условий для лопаток первой ступени компрессора низкого давления при проверке на отсутствие автоколебаний. В таком виде двигатель поставляется на стенд для проведения испытания по проверке отсутствия автоколебаний рабочих лопаток компрессора низкого давления.

Регулятор π*_т на приемосдаточных испытаниях двигателя обычно настраивается таким образом, чтобы его отладка на режиме полного форсажа соответствовала уровню π*_т при работе двигателя на бесфорсажном режиме с соплом в положении «Максимал» и приведенной частоте вращения компрессора низкого давления n_1пр, при которой запас газодинамической устойчивости минимальный. Такая настройка регулятора π*_т обеспечивает одинаковый запас устойчивости двигателя на режимах «Максимал» и полного форсажа. На фиг. 2 представлены характеристики π*_т=f(n_1пр) двигателя при регулировании соплом в положении «Максимал» и π*_т=const.

Такой характер влияния законов регулирования на уровень нагрузки на двигатель при испытаниях на отсутствие автоколебаний с соплом в положении «Максимал» показывает, что при частоте вращения большей, чем n_1пр, двигатель при работе с соплом в положении «Максимал» менее нагружен, а при частоте вращения меньшей, чем n_1пр, - более нагружен относительно уровня π*_т=const при работе на форсажном режиме.

Следовательно, если проверку на отсутствие автоколебаний проводить с соплом в положении «Максимал», то в зоне частот вращения меньшей, чем n_1пр, т.е. в зоне наиболее вероятного появления автоколебаний - дозвукового срывного флаттера - проверка будет осуществляться на более поджатой рабочей линии двигателя, чем при работе на форсажном режиме в условиях эксплуатации, и получаемый таким образом запас по автоколебаниям будет занижен. В зоне частот вращения больших, чем n_1пр, проверка будет осуществляться на менее поджатой рабочей линии двигателя, чем при работе на форсажном режиме в условиях эксплуатации, т.е. зоны, где могут существовать дозвуковой и сверхзвуковой флаттера с повышенным давлением, будут исследованы недостаточно.

Таким образом, проведение испытаний по проверке отсутствия автоколебаний рабочих лопаток низкого давления на бесфорсажном режиме с соплом в положении «Максимал» не позволяет в процессе испытаний имитировать условия эксплуатации и, поскольку полеты по линии максимальных нагрузок на крыло возможны только на форсажных режимах, то и режимы подготовки и проверки на отсутствие автоколебаний должны соответствовать форсажным режимам работы двигателя, прежде всего с соблюдением закона π*_т=const.

Заявленный способ осуществляется следующим образом. Испытание двигателя проходит на бесфорсажном режиме, при котором площадь выходного сечения (среза) сопла регулируются исходя из постоянства отношения Р*₂/Р*₄=π*_т=const, а именно: при увеличении или уменьшении давления за турбиной Р*₄ регулятор сопла π*_т изменяет площадь выходного сечения сопла для поддержания постоянства указанного отношения. То есть регулятор π*_т при увеличении давления газа за турбиной Р*₄ увеличивает площадь выходного сечения сопла, а при уменьшении давления - уменьшает его, добиваясь таким образом соблюдения указанного постоянства отношения Р*₂/Р*₄=π*_т=const, соответствующего при этом форсажному режиму двигателя. Форсажные показатели указанного отношения на бесфорсажном режиме достигаются за счет, например, регулировок выходной площади сечения сопла (уменьшением его площади) или могут достигаться в комплексе вместе с регулировкой степени перекрытия заглушками второго контура с учетом возможностей испытательного стенда.

Следовательно, использование регулятора π*_т=const в качестве регулятора рабочей линии двигателя при подготовке и проведении испытаний дает возможность достоверно определить отсутствие автоколебаний в самых тяжелых условиях, наиболее возможных для проявления автоколебаний рабочих лопаток компрессора при эксплуатации.