Результат интеллектуальной деятельности: Способ испытания газотурбинного двигателя

Изобретение относится к испытаниям газотурбинных двигателей, в частности к способам испытаний газотурбинных двигателей в боксах испытательных стендов, и может найти применение в авиационной промышленности.

Известен способ испытаний газотурбинных двигателей на наземных закрытых стендах, характеризующийся тем, что определяют аэродинамическую силу, запускают испытываемый газотурбинный двигатель (ГТД), измеряют расход воздуха через двигатель и распределение давлений по конструкции входного стендового устройства, включая лемнискатный насадок (Авиационный стандарт ОСТ 102781-2004 «Сила аэродинамическая при испытаниях газотурбинных двигателей на наземных закрытых стендах»). Известный способ 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 турбореактивных двигателей (ТРД), в т.ч. с форсажной камерой (ТРДФ), и турбореактивных двухконтурных двигателей (ТРДД), в т.ч. с форсажной камерой (ТРДДФ), на докритических режимах работы сопел.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ испытания газотурбинного двигателя (RU 2252406, 2005), характеризующийся тем, что определяют величину приведенной тяги двигателя в испытательном боксе испытательного стенда с механически присоединенным и отсоединенным лемнискатным насадком и величину приведенной поправки на входной импульс стендовой тяги как разность приведенных величин стендовых тяг, определенных с помощью присоединенного и отсоединенного лемнискатного насадка, измеряют соответственно полное давление на входе в двигатель и статическое давление Р_Б в испытательном боксе. Предложенный способ позволяет повысить достоверность результатов испытаний, уменьшив погрешность определения величины тяги двигателя за счет повышения точности измерения величины входной поправки к тяге двигателя в испытательном (закрытом) боксе.

Недостатком способа является то, что для авиационных двигателей типа ТРДД с большой степенью двухконтурности, в т.ч. с раздельными контурами, использование способа испытаний ГТД для определения поправки на входной импульс в стандартных условиях

Н=0, Мп=0

недопустимо, поскольку, значения степени понижения давления в реактивных соплах 2-х контуров значительно меньше критического значения во всем диапазоне регламентных режимов работы («земной малый газ» - «взлетный режим»).

Так, на «взлетном режиме» работы ТРДД с большой степенью двухконтурности с раздельными контурами:

1. Степень понижения давления в сопле газогенератора

где:

- полное давление в сопле газогенератора ТРДД;

Р_H - статическое давление окружающей среды;

(<1,86 при показателе адиабаты газа к_Г=1,33);

2. Степень понижения давления в сопле наружного контура

где: - полное давление в наружном контуре ТРДД;

(<1,89 при показателе адиабаты воздуха к_В=1,4).

Отношение давлений в сопле к давлению Р_Н окружающей среды, при котором достигается эта скорость, носит название «критического»

Принято считать, что при сверхкритической степени понижения давления в сопле

линии рабочих режимов на характеристике компрессоров двигателя не изменяют своего положения. При докритической степени понижения давлений в сопле

линии рабочих режимов на характеристике компрессоров двигателя в стандартных условиях изменяют свое положение и смещаются в сторону границы неустойчивой работы компрессора.

Известный (RU 2252406, 2005) способ испытаний ГТД основан на том, что при сверхкритической степени понижения давления в сопле несоответствие отношения давлений на двигателе величине

принятой для стандартных условий

Н=0, Мп=0,

учитывается в формулах (1) и (2) при определении стендовой тяги ГТД с помощью соотношения

где F_C - измеренная площадь выходного сечения сопла двигателя, что недопустимо при определении стендовой тяги ГТД на докритических режимах работы сопел.

Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в повышении достоверности и точности измерения стендовой тяги ТРД(Ф) и ТРДД(Ф) на докритических режимах работы сопла (сопел).

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения приведенной поправки на входной импульс к величине приведенной тяги двигателя в (закрытом) испытательном боксе испытательного стенда.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа испытания газотурбинного двигателя, характеризующегося тем, что определяют величину приведенной тяги двигателя в испытательном боксе испытательного стенда с механически присоединенным и отсоединенным лемнискатным насадком, причем механически отсоединенный лемнискатный насадок в этом случае остается присоединенным по воздушному потоку к двигателю с помощью лабиринтного уплотнения, и величину приведенной поправки на входной импульс стендовой тяги как разность приведенных величин стендовых тяг, определенных с помощью присоединенного и отсоединенного лемнискатного насадка, измеряют соответственно полное давление на входе в двигатель и статическое давление Р_Б в испытательном боксе, в процессе испытания дополнительно определяют величину приведенной тяги сопла двигателя с помощью присоединенного и отсоединенного лемнискатного насадка, измеряют полное давление в реактивном сопле двигателя, последовательно определяют величину степени понижения давления в реактивном сопле из соотношения

при условии, что степень понижения давления меньше ее критической величины, определяют величину отношения давлений на двигателе как полное давление к статическому давлению Р_Б соответственно с механически присоединенным и отсоединенным лемнискатным насадком, определяют величины поправок к значениям тяги сопла двигателя в зависимости от отклонения от значения, соответствующего стандартным условиям, равного 1,0, корректируют величины приведенной тяги сопла на величины поправок, а величину поправки на входной импульс стендовой тяги определяют как разность величин приведенных тяг сопла двигателя в зависимости от режима работы двигателя.

Существенность отличительных признаков испытания газотурбинного двигателя подтверждается тем, что только совокупность всех действий и операций, описывающая изобретение позволяет решить поставленную техническую проблему с достижением заявленного технического результата.

Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием способа испытания газотурбинного двигателя со ссылкой на фигуру, где на графике представлен пример изменения полученной по результатам испытания величины коэффициента относительной поправки δR_С к значению тяги сопла испытанного ТРДД на бесфорсажном режиме работы при отклонении отношения давлений на двигателе от значения

для стандартных условий

Н=0, Мп=0

при постоянной величине приведенной частоты ротора вентилятора двигателя

n_В.ПР=const.

Способ испытания газотурбинного двигателя реализуется следующим образом.

При испытаниях двигателя в испытательном боксе испытательного стенда по настоящему способу испытуемый двигатель с присоединенным к нему лемнискатным насадком устанавливают в боксе на динамометрической платформе с силоизмерительной системой (СИС). После этого проводят испытание двигателя для измерения с помощью СИС величины тяги двигателя. Определяют величину приведенной тяги R_ДВ.ПР двигателя в испытательном боксе испытательного стенда с механически присоединенным лемнискатным насадком

где:

R_СТ - измеренная сила от тяги двигателя, измеряемая СИС;

F_С - измеренная площадь выходного сечения сопла двигателя;

R_ПАР - поправка от аэродинамического сопротивления двигателя, коммуникаций и стендового оборудования, размещенных на динамометрической платформе СИС стенда.

После определения величины приведенной тяги R_ДВ.ПР двигателя с помощью лемнискатного насадка повторяют испытание двигателя для измерения величины тяги двигателя с механически отсоединенным лемнискатным насадком. Лемнискатный насадок в этом случае остается присоединенным (по воздушному потоку) к двигателю с помощью лабиринтного уплотнения, ограничивающего проток воздуха из лемнискатного насадка в бокс и обеспечивающего радиальный зазор между лемнискатным насадком и расходомерным коллектором (РМК). Определяют величину приведенной тяги Р_0.ДВ.ПР двигателя в испытательном боксе испытательного стенда с отсоединенным лемнискатным насадком

где:

G_B - измеренный массовый расход воздуха, измеряемый в РМК;

V_ЛАБ - измеренная скорость воздуха в сечении лабиринтного уплотнения;

F_ЛАБ - измеренная площадь лабиринтного уплотнения;

Р_ЛАБ - измеренное статическое давление воздуха в сечении лабиринтного уплотнения.

Определяют величину приведенной поправки на входной импульс стендовой тяги как разность приведенных величин стендовых тяг, определенных с помощью присоединенного и отсоединенного лемнискатного насадка. Измеряют соответственно полное давление на входе в двигатель и статическое давление Р_Б в испытательном боксе.

Дополнительно измеряют в процессе испытания величину приведенной тяги R_С.ПР сопла двигателя в испытательном боксе испытательного стенда с помощью механически присоединенного лемнискатного насадка как:

Величина R_ПАР может быть определена по методике, изложенной в ОСТ 102781-2004.

Дополнительно измеряют в процессе испытания величину приведенной тяги сопла двигателя в испытательном боксе испытательного стенда с помощью механически отсоединенного лемнискатного насадка без учета величины поправки на входной импульс стендовой тяги (ΔR _ВУ) как:

Дополнительно измеряют в процессе испытания полное давление в реактивном сопле двигателя. Последовательно определяют величину степени понижения давления в реактивном сопле испытываемого двигателя с помощью присоединенного и отсоединенного лемнискатного насадка из соотношения

при условии, что степень понижения давления в сопле меньше ее критической величины

Определяют величину отношения давлений на двигателе как полное давление к статическому давлению Р_Б соответственно с механически присоединенным и отсоединенным лемнискатным насадком.

Определяют величины поправок к значениям тяги сопла двигателя в зависимости от отклонения от значения, соответствующего стандартным условиям, равного 1,0, с учетом режима работы двигателя, например, приведенной величины частоты вращения ротора двигателя (см. фигуру).

На фигуре представлен график, на котором показан пример изменения величины поправки к значению тяги сопла испытываемого двигателя на бесфорсажном режиме

при отклонении отношения давлений

от значения

соответствующего стандартным условиям

Н=0, М=0

при постоянной величине приведенной частоты ротора двигателя

n_В.ПР=const.

На форсажном режиме работы двигателя поправка δR_С в зависимости от отношения давлений

производится также с учетом величины приведенного суммарного коэффициента избытка воздуха в форсажной камере.

Примечание: Термодинамический расчет тяги ТРД(Ф) и ТРДД(Ф) на практике проводится при следующих допущениях:

1. Суммарный вектор количества движения воздушного потока на входе в двигатель в проекции на его ось равен нулю;

2. Потери полного давления во входном двигательном устройстве равны нулю, т.е. коэффициент потерь давления во входном устройстве

где В₀ - барометрическое давление;

3. Статическое давление, действующее на наружные поверхности двигателя, одинаково во всех точках поверхности и равно В₀;

4. Атмосферные условия стандартные:

В₀=101325Па,

влагосодержание воздуха, поступающего на вход в двигатель, равно нулю.

Из равенства

вытекает очевидная величина отношения давлений на двигателе

в стандартных атмосферных условиях (ГОСТ 4401-81 «Межгосударственный стандарт. Атмосфера стандартная. Параметры» для принятых условий термодинамического расчета тяги двигателей).

Далее выполняют коррекцию величины приведенной тяги сопла (3) на величины поправок δR_С и определяют приведенные значения стендовой тяги двигателя с механически присоединенным лемнискатным насадком как:

где

δR_С - поправка к значению тяги сопла испытываемого двигателя в зависимости от отклонения величины измеренного отношения давлений

от значения

для стандартных условий

Н=0, Мп=0

на фактическом режиме работы двигателя (например, на режиме постоянной приведенной частоте вращения ротора ГТД n_ПР=const). При измерении величины отношения давлений

учитывается фактическая величина коэффициента σ_ВХ потерь полного давления во входном устройстве.

После коррекции приведенной тяги сопла (6) ее величина становится равной приведенной стендовой тяге двигателя, т.е.

Далее выполняют коррекцию величины приведенной тяги сопла на величины поправок δR_C и определяют приведенные значения стендовой тяги двигателя с механически отсоединенным лемнискатным насадком как:

После коррекции приведенной тяги сопла в компоновке двигателя с механически отсоединенным от входного устройства лемнискатным насадком ее величина равна приведенной стендовой тяге двигателя с учетом входного импульса, т.е.

Дополнительно определяют величину поправки на входной импульс стендовой тяги как разность величин приведенных тяг сопла двигателя, определенных с помощью присоединенного и отсоединенного лемнискатного насадка в зависимости от режима работы двигателя (например, при постоянной величине приведенных оборотов ротора двигателя) как:

где:

- приведенное значение величины тяги сопла (6) испытываемого двигателя с механически подсоединенным лемнискатным насадком к входному устройству ГТД;

- приведенное значение величины тяги сопла (8) испытываемого двигателя с механически отсоединенным лемнискатным насадком от входного устройства ГТД.

На бесфорсажных режимах работы двигателя определяют относительные величины приведенной поправки входного импульса ΔR_ВУ.ПР как калибровочные зависимости вида:

где:

G_В.ПР - приведенный расход через испытываемый ГТД;

n_пр - приведенная частота вращения ротора ГТД;

R_ДВ.ПР - стендовая тяга по формуле (6) или (7).

На форсажных режимах работы двигателя определяют относительную величину приведенной поправки (8) или (9) входного импульса ΔR_ВУ.ПР как калибровочная зависимость вида:

где α_Σ.ПР - суммарный приведенный коэффициент избытка воздуха в форсажной камере ТРДФ или ТРДДФ на форсажном режиме работы.

При проведении приемо-сдаточных испытаний двигателя в испытательном боксе с механически присоединенным к нему лемнискатным насадком определяют приведенное к стандартным условиям значение стендовой тяги двигателя без учета входного импульса как:

С помощью полученных калибровочных зависимостей f₁, f₂ и f₃ вида (11), (12) и (13) для выбранного (закрытого) испытательного бокса и типа испытываемого ГТД и по определенной величине приведенной стендовой тяги R_ДВ.ПР двигателя (14) в испытательном боксе испытательного стенда с механически присоединенным к нему лемнискатным насадком без учета входного импульса определяют приведенную величину поправки к стендовой тяге на входной импульс:

и величину стендовой тяги двигателя в испытательном боксе испытательного стенда с механически присоединенным к нему лемнискатным насадком с учетом входного импульса как:

где ΔR_ВУ.ПР - приведенная поправка на входной импульс к стендовой

приведенной тяге двигателя в закрытом испытательном боксе испытательного стенда с учетом бесфорсажного (формулы (11) и (12)) или форсажного режима работы двигателя (формула (13)).

Предложенный способ испытаний позволяет обеспечить достоверность и точность измерения стендовой тяги ТРД(Ф) и ТРДД(Ф) на докритических режимах работы сопла (сопел) за счет повышения точности определения приведенной поправки на входной импульс к величине приведенной тяги двигателя в (закрытом) испытательном боксе испытательного стенда.