Испытания по определению газодинамической устойчивости

Одним из важных видов испытаний являются испытания по определению газодинамической устойчивости (ГДУ) двигателей. Газотурбинный двигатель включает в себя один или несколько компрессоров, которые, как известно, работают устойчиво только в определенной области режимов. Вне этой области в компрессоре появляется вращающийся срыв, или происходит потеря устойчивой работы двигателя - помпаж, что приводит к необходимости выключения двигателя.

Компрессор, работающий в системе двигателя, обладает запасом газодинамической устойчивости, измеряемым расстоянием от линии рабочих режимов (ЛРР) до границы устойчивой работы (ГУ). При этом используются критерий устойчивости К_у и запас устойчивости DК_у:

(5.26)

Эти параметры находят при постоянном значении приведенной частоты вращения.

Под влиянием эксплуатационных факторов и режимов работы двигателя ЛРР меняет свое положение. Запасы устойчивой работы в фиксированных условиях полета определяются относительно ЛРР, соответствующей установившимся режимам работы двигателя. Различают понятия «располагаемые запасы устойчивости» и «потребные запасы». Потребные запасы назначаются с учетом факторов, приводящих к сдвигу ЛРР к ГУ таких как:

- тепловое состояние двигателя;

- переходные режимы;

- условия полета;

- неоднородность потока на входе в двигатель.

Действительные, располагаемые, запасы устойчивости должны превышать потребные. Располагаемые запасы находятся экспериментально на установившихся, переходных и динамических режимах работы двигателя.

В первом случае изменяют степень дросселирования компрессора в системе двигателя специальными методами. Степень дросселирования меняется ступенчато, и на каждой ступеньке на установившемся режиме фиксируются положение ЛРР, критерии устойчивости и так последовательно до момента потери устойчивости двигателя.

Чтобы лучше представить способы дросселирования компрессора в системе двигателя, рассмотрим для примера одновальный ТРД. Из уравнения неразрывности для сечения на входе в двигатель и критического сечения первого соплового аппарата турбины имеем

Так как

q(l_в)F_в~G_в.пр, s_гq(l_с.а)F_с.а»const, p*_в=p*_к/p*_в.

то

(5.27)

Из уравнения равенства работ компрессора и турбины получаем

откуда

(5.28)

Подставляя (5.28) в (5.27), получим уравнение линии рабочих режимов

(5.29)

Это уравнение дополняется уравнением неразрывности для соплового аппарата турбины и критического сечения сопла

(5.30)

Полученные уравнения позволяют найти способы дросселирования компрессора в системе двигателя. Из (5.29) видно, что ЛРР может быть сдвинута к ГУ уменьшением площади соплового аппарата турбины F_c.a. При этом как следует из (5.30) увеличивается степень понижения давления газа на турбине p*_т, температура газа перед турбиной уменьшается, что приводит, тем не менее, при уменьшении F_с.а к перемещению ЛРР к ГУ. Такой способ неудобен тем, что требуется несколько отдельных сборок для изменения степени дросселирования.

Дросселирование также может быть осуществлено, уменьшением площади сопла. Из (5.30) видно, что уменьшение F_с.кр приводит к уменьшению степени расширения p*_т и, следовательно, к увеличению температуры газа перед турбиной Т*_г. Этот способ менее эффективен, поскольку сдвиг ЛРР к ГУ происходит вследствие увеличения температуры газа Т*_г, что, естественно, ограничивает возможности метода. Расширить диапазон дросселирования можно применением при испытаниях на высотных стендах воздуха с пониженной температурой Т*_в. Преимущество метода заключается в том, что можно использовать регулируемое сопло и непрерывно регулировать степень дросселирования. С тем же эффектом при испытаниях можно использовать увеличение давления в барокамере, что приводит к уменьшению плотности тока в критическом сечении сопла q(l_с.кр) и степени понижения давления p*_т, если l_с<1.

Кроме указанных способов, можно использовать также вдув воздуха от постороннего источника или впрыск воды в камеру сгорания. Физическое воздействие на положение ЛРР эквивалентно уменьшению площади критического сечения соплового аппарата турбины. Отличие состоит в том, что при этом понижается температура газа перед турбиной.

Определение запасов ГДУ на переходных режимах основано на том, что ускорение ротора двигателя обеспечивается превышением работы турбины над работой компрессора. Этим режимам двигателя соответствуют большая подача топлива и более высокий уровень температуры газа перед турбиной по сравнению с установившимися режимами. В результате на режимах приемистости ЛРР располагаются выше ЛРР на установившихся режимах. При проведении таких испытаний АСУ настраивается на более высокий темп приемистости. Применение этого метода ограничивается из-за роста температуры газа перед турбиной.

Для определения ГДУ используются также динамические режимы работы, которые отличаются от переходных ускоренным протеканием газодинамического процесса. К таким способам относится определение запасов ГДУ путем кратковременного заброса топлива в камеру сгорания. При этом происходит кратковременное увеличение температуры газа Т*_г и работы турбины. Это вызывает перемещение ЛРР к ГУ, а также увеличение частоты вращения ротора. Поскольку скорость газодинамических процессов значительно выше, чем скорость увеличения частоты вращения ротора из-за большой его инерционности, то уменьшение ГДУ происходит практически при постоянной частоте вращения ротора. Кратковременное повышение температуры газа Т*_г не опасно для прочности турбины.

Для двигателей более сложных схем применяются помимо перечисленных и другие, методы определения запасов ГДУ. Например, может использоваться регулирование площади смесителя в двухконтурном двигателе, перепуск воздуха из отдельных ступеней компрессоров в наружный контур. При этом, как правило, одного метода недостаточно, требуется применение комбинации нескольких методов.

Неоднородность потока на входе - один из наиболее сильно влияющих факторов на положение ЛРР и ГУ. Влияние неоднородности на характеристики и газодинамическую устойчивость компрессоров наиболее точно воспроизводится при испытаниях двигателей совместно с самолетным воздухозаборником. Как правило, опытный двигатель проходит такие испытания в статических условиях (Н=0, М=0) на наземных стендах. Испытания также проводятся на высотных стендах, на которых в окрестности входной части воздухозаборника создается картина течения, аналогичная полетным условиям. Однако при таких испытаниях параметры неоднородности, неравномерность и пульсации полного давления сильно коррелированы между собой, что ограничивает научную ценность исследований. Кроме того, эти испытания весьма дорогостоящие. В связи с этим применяются испытания двигателя с генератором неоднородности, в котором неравномерность и пульсации полного давления создаются плохообтекаемыми телами, интерцепторами, помещенными в поток перед двигателем.

Исходные данные для имитации неоднородности натурного воздухозаборника получают при испытаниях модели воздухозаборника или при летных испытаниях, в том числе и на критических режимах, т.е. при максимальных углах атаки и скольжения, максимальных числа М полета и отрицательных отклонениях температуры окружающей среды от стандартного значения. Форма интерцептора и степень затенения, создаваемая им, определяют неравномерность полного давления, а расстояние от интерцептора до входа - уровень пульсаций полного давления. Применяются генераторы различной сложности, которые могут создавать переменные уровни неоднородности, например, вводом пластин перпендикулярно потоку или поворотом установленной в потоке пластины определенной формы вокруг продольной оси.

При испытаниях двигателя совместно с таким генератором проверяется чувствительность двигателя к неоднородности потока и определяются потребные запасы ГДУ на неоднородность потока, а также выбирается уровень входной неоднородности для проверки серийных двигателей на достаточность запасов. При серийном выпуске каждый или один двигатель из определенной партии проверяется с выбранным интерцептором на достаточность запасов ГДУ от неоднородности потока.

Генератор неоднородности может применяться при испытаниях двигателя также для нахождения располагаемых запасов ГДУ. Если в первом случае двигатель с выбранным уровнем неоднородности потока должен работать без потери устойчивости, то во втором случае двигатель доводится до режима потери устойчивости путем увеличения уровня неоднородности.