Способ испытания газотурбинного двигателя

Изобретение относится к испытаниям газотурбинных двигателей (ГТД), в частности к способам испытаний ГТД типа ТРД(Ф) (турбореактивных двигателей, в том числе с форсажной камерой) и ТРДД(Ф) (турбореактивных двухконтурных двигателей, в том числе с форсажной камерой) на сверхкритических и докритических режимах работы сопел двигателя в испытательных боксах испытательных стендов, и может найти применение в авиационной промышленности.

Известен способ испытания газотурбинного двигателя (Авиационный стандарт ОСТ 1 02781-2004, «Сила аэродинамическая при испытаниях газотурбинных двигателей на наземных закрытых стендах»), характеризующийся тем, что в испытательном боксе испытательного стенда измеряют величину тяги двигателя с механически присоединенным лемнискатным насадком, массовый расход воздуха через двигатель, скорость потока воздуха и статическое давление в боксе и с учетом измеренных величин определяют величину поправки на входной импульс стендовой тяги.

Недостатком известного способа является то, что он предназначен только для испытаний ГТД с общим реактивным соплом при сверхкритических отношениях давлений в сопле и поэтому не может быть использован при стендовых испытаниях в испытательных боксах ТРД(Ф) и ТРДД(Ф) на докритических режимах работы сопел.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ испытания газотурбинного двигателя (RU 2702443, 2019), характеризующийся тем, что в испытательном боксе испытательного стенда измеряют величину тяги двигателя с механически присоединенным лемнискатным насадком, массовый расход воздуха через двигатель, скорость потока воздуха и статическое давление в боксе и с учетом измеренных величин определяют величину поправки на входной импульс стендовой тяги.

Для реализации известного способа с целью определения величины поправки на входной импульс стендовой тяги требуются две компоновки входного устройства ГТД, испытываемого в закрытом боксе:

- компоновка с механически присоединенным лемнискатным насадком;

- компоновка с механически отсоединенным лемнискатным насадком. В каждой из указанных компоновок при определении величины

поправки на входной импульс стендовой тяги требуется снятие полной дроссельной характеристики ГТД, что на практике происходит с временной задержкой для обеспечения изменения компоновки входного устройства. Поэтому измерение необходимых для осуществления способа величин может осуществляться в разных климатических условиях по температуре и давлению окружающей среды, а также величине влагосодержания атмосферного воздуха, которая увеличивается с утреннего к обеденному времени и уменьшается в ночное время суток. Таким образом, изменение климатических условий может привести к дополнительной погрешности определения величины поправки на входной импульс.

Техническая проблема, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в снижении трудоемкости и временных затрат на проведение испытаний ГТД для определения величины поправки на входной импульс стендовой тяги двигателя.

Технический результат, достигаемый при осуществлении заявленного изобретения, заключается в повышении точности и достоверности определения величины поправки на входной импульс стендовой тяги двигателя в испытательном боксе испытательного стенда.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа испытаний газотурбинного двигателя в испытательном боксе испытательного стенда измеряют величину тяги двигателя с механически присоединенным лемнискатным насадком, массовый расход G₁ воздуха через двигатель, скорость V потока воздуха и статическое давление Р_Б в боксе и с учетом измеренных величин определяют величину поправки ΔR_ВУ на входной импульс стендовой тяги, причем скорость V потока воздуха и статическое давление Р_Б измеряют в первом сечении бокса, расположенном на относительном расстоянии от входа в лемнискатный насадок, определяемом из соотношения

где:

L - расстояние от входа в лемнискатный насадок до первого сечения бокса;

d_{вх.лемн.} - диаметр входного сечения лемнискатного насадка,

при этом измеряют величины скорости V потока воздуха по первому сечению в центрах равновеликих площадей, число которых больше или равно 25, дополнительно измеряют площадь F_Б поперечного сечения бокса, температуру T_Б воздуха в первом сечении бокса и давление Р_З воздуха во втором сечении бокса, расположенном в плоскости, соответствующей выходу внешней части профиля лемнискатного насадка, с учетом измеренных величин вычисляют плотность ρ_Б воздуха в первом сечении бокса, суммарный расход G_∑ воздуха в первом сечении бокса, среднюю скорость V_Б потока в боксе и относительную скорость потока воздуха, сравнивают величины измеренных давлений Р_Б и Р_З и по результатам сравнения определяют характер течения воздуха, с учетом которого определяют величину перепада ΔР давления в боксе, при этом величину поправки ΔR_ВУ на входной импульс стендовой тяги определяют из соотношения:

где:

n - величина относительного расхода воздуха в боксе, равная отношению G₂ к G₁;

G₂ - расход внешнего потока воздуха, равный разности величин - G_∑-G₁;

F_ВХ - площадь входного сечения лемнискатного насадка.

Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как только совокупность всех действий и операций, описывающая изобретение, позволяет повысить точность и достоверность определения величины поправки на входной импульс стендовой тяги двигателя в испытательном боксе испытательного стенда при снижении трудоемкости и временных затрат на проведение испытаний ГТД.

Настоящее изобретение поясняется фиг. 1-4, где:

на фиг. 1 показана схема размещения ГТД в испытательном боксе испытательного стенда;

на фиг. 2 показано первое сечение А-А на фиг. 1;

на фиг. 3 показана схема вычисления площади для определения относительной скорости потока воздуха;

на фиг. 4 представлена таблица результатов расчета для определения величины поправки ΔR_BУ на входной импульс стендовой тяги в зависимости от режима работы двигателя.

Способ испытания газотурбинного двигателя осуществляется следующим образом.

При испытаниях двигателя 1 в испытательном боксе 2 испытательного стенда по настоящему способу испытываемый двигатель 1 с механически присоединенным к нему лемнискатным насадком 3 устанавливают в боксе 2 на динамометрической платформе с силоизмерительной системой 4 (СИС), после чего проводят испытание двигателя 1 для измерения с помощью СИС 4 величины тяги R_СИС двигателя 1 с механически присоединенным лемнискатным насадком 3 (фиг. 1).

Измеряют массовый расход G₁ воздуха через двигатель 1 в расходомерном коллекторе (РМК) (на чертежах не показан), а скорость V потока воздуха и статическое давление Р_Б измеряют в первом сечении («А-А») бокса 2, расположенном на относительном расстоянии от входа в лемнискатный насадок 3, определяемом из соотношения

где:

L - расстояние от входа в лемнискатный насадок 3 до первого сечения бокса 2;

d_{вх.лемн.} - диаметр входного сечения лемнискатного насадка 3.

Максимальная величина указанного соотношения зависит от габаритных размеров испытываемого двигателя 1 и не ограничена, а выбор минимальной величины (2,0) обусловлен тем, что при недостаточном расстоянии L от входа в лемнискатный насадок 3 до первого сечения бокса 2 течение воздуха перед входным устройством двигателя 1 имеет неравномерный характер и оказывает влияние на точность измерений.

Величины скорости V потока воздуха измеряют по первому сечению в центрах равновеликих площадей, число которых больше или равно 25. Измерение скорости V потока воздуха может производиться с помощью анемометров, величины которой обозначаются на фиг. 2 символом v с соответствующим порядковым номером. Выбор количества анемометров в первом сечении бокса 2 обусловлен необходимой точностью вычислений при определении величины поправки ΔR_ВУ на входной импульс стендовой тяги по результатам расчетов. В этом же сечении размещается приемник статического давления для измерения Р_Б.

Дополнительно в процессе испытания измеряют площадь F_Б поперечного сечения бокса 2, температуру Т_Б воздуха в первом сечении бокса 2 и давление Р_З воздуха во втором сечении («В-В») бокса 2, расположенном в плоскости, соответствующей выходу внешней части профиля лемнискатного насадка 3, с помощью соответствующего приемника статического давления (фиг. 1).

С учетом измеренных величин параметров по известным уравнениям газовой динамики вычисляют плотность ρ_Б воздуха в первом сечении бокса 2, суммарный расход G_∑ воздуха в первом сечении бокса 2, среднюю скорость V_Б потока в боксе 2, относительную скорость потока воздуха и определяют величину поправки ΔR_ВУ на входной импульс стендовой тяги.

Плотность ρ_Б воздуха может быть вычислена из уравнения состояния:

где:

R_B - газовая постоянная воздуха.

Суммарный расход G_∑ воздуха в первом сечении бокса 2 вычисляется исходя из уравнения расхода:

где:

F_Б - площадь поперечного сечения бокса 2;

- сумма измеренных величин скорости потока воздуха;

i - номер измеренной величины скорости потока воздуха;

m - количество измеренных величин скорости потока воздуха, соответствующее количеству анемометров.

Средняя скорость V_Б потока в боксе 2 вычисляется из уравнения расхода по соотношению:

Относительная скоростьпотока воздуха может быть вычислена следующим образом.

В первом сечении бокса 2 с центром по оси двигателя 1 задают площадь, примерно равную отношению измеренного массового расхода G₁ воздуха к произведению

ρ_Б⋅V_Б,

и разбивают ее на кольца. Предпочтительно, число колец принимают не менее 10.

На фиг. 3 слева показана схема разбиения площади в первом сечении, а справа - распределение эпюры скорости потока воздуха по радиальным направлениям.

В каждом кольце определяют среднюю скорость V_CP.i потока из 4-х значений измеренной скорости потока по образующим 1-3 и 2-4, а также расход воздуха в каждом кольце.

Далее посредством аппроксимации находят такую площадь F₁ в первом сечении бокса 2, которая соответствует измеренному массовому расходу G₁ воздуха через двигатель 1, вычисляют среднюю скорость V₁ потока через участок площади F₁ по соотношению (1) и относительную скорость потока воздуха как отношение V₁ к V_Б.

Сравнивают величины измеренных давлений Р_Б и Р_З и по результатам сравнения определяют характер течения воздуха, с учетом которого определяют величину перепада ΔР давления в боксе 2. В частности, в случае если Р_З меньше Р_Б, течение воздуха считают отрывным, и определяют ΔР как разность измеренных величин давлений Р_З-Р_Б, а в случае если Р_З больше Р_Б, течение воздуха считают безотрывным и определяют ΔР по соотношению:

где:

V₂ - средняя скорость обдувающего потока воздуха в первом сечении бокса 2;

V₃ - средняя скорость потока воздуха по площади F_Б-F_ВХ во втором сечении бокса 2;

F_BX - площадь входного сечения лемнискатного насадка 3.

При этом величины V₂ и V₃ определяют, подставляя в соотношение (1) величины разности площадей F_Б-F₁ и F_Б-F_BX соответственно, а также величину расхода G₂ внешнего потока воздуха, равную разности величин G_∑-G₁.

Величину поправки ΔR_ВУ на входной импульс стендовой тяги определяют из следующего соотношения:

где n - величина относительного расхода воздуха в боксе 2, равная отношению G₂ к G₁.

Соотношение (2) получено на основе уравнения Эйлера о количестве движения для первого («А-А») и второго («В-В») сечений бокса 2 (фиг. 1) (см. Клинский Б.М., «Определение величины входного импульса как поправки к силе от тяги ГТД в (закрытом) боксе испытательного стенда», Москва, ЦИАМ им. П.И. Баранова, «Авиационные двигатели», 3(4) 09.09.2019, с. 27) и в полной записи имеет вид:

где:

f₀ - площадь внутреннего сечения входного устройства двигателя 1;

- полное давление потока воздуха в первом сечении бокса 2, определяемое по уравнению Бернулли для малых скоростей потока:

Величина относительно мала и в практических расчетах может

быть опущена.

Согласно заявленному способу был проведен расчет для определения величины поправки ΔR_ВУ в боксе испытательного стенда для одного типа ТРДДФ по следующим измеренным данным:

F_B=8 м ⋅ 8,5 м=68 м²;

F_BX=1,94 м²;

G₁=111,3 кг/с;

n=4,3;

ρ_Б=1,2 кг/м³;

V_Б=7,23 м/с.

Расчет проведен для диапазона 1-1,3 относительной скорости потока воздуха с учетом ее неравномерности в первом сечении бокса 2.

На фиг. 4 представлена таблица результатов расчета для определения величины поправки ΔR_ВУ на входной импульс стендовой тяги в испытательном боксе 2 испытательного стенда в зависимости от режима работы двигателя 1.

Расчет показал (фиг. 4), что с увеличением неравномерности скорости потока в первом сечении бокса 2 (с увеличением ) величина поправки ΔR_ВУ увеличивается, что было подтверждено испытаниями. Так, на «максимальном» режиме при увеличении относительной скорости потока с 1,0 до 1,3 величина поправки ΔR_ВУ увеличивается на 39%.

При безотрывном течении воздуха в боксе 2 перепад давлений

Р₃-Р_Б>0,

при этом третий член соотношения (2) вычитается, тем самым уменьшая величину поправки ΔR_ВУ.

При отрывном течении воздуха перепад давлений

Р₃-Р_Б<0,

при этом третий член соотношения (2) прибавляется, тем самым увеличивая величину поправки ΔR_ВУ. По результатам испытаний величина поправки ΔR_ВУ при отрывном течении воздуха в 1,4-2 раза больше величины ΔR_ВУ в случае безотрывного течения в боксе 2.

Найденная предложенным способом по соотношению (2) поправка ΔR_ВУ на входной импульс стендовой тяги используется для определения стендовой тяги R_ДВ испытываемого ГТД как:

R_ДВ=R_СИС+ΔR_∑=R_СИС+(ΔR_ВУ+ΔR_ПАР+ΔR_C),

где

ΔR_∑ - величина суммарной поправки к тяге ГТД на влияние аэродинамики испытательного бокса, состоящая из:

ΔR_ВУ - величина поправки на входной импульс стендовой тяги, Н;

ΔR_ПАР - величина аэродинамического сопротивления ГТД, коммуникаций и стендового оборудования, размещенных на динамометрической платформе СИС стенда, Н;

ΔR_C - величина поправки на неравенство полного давления на входе в ГТД и статического давления Р_Б в плоскости реактивного сопла вне газовой струи, Н.

Предложенный способ испытаний позволяет обеспечить повышение точности и достоверности определения величины поправки на входной импульс стендовой тяги двигателя (ГТД) в испытательном боксе испытательного стенда.