Особенности испытаний турбовинтовых двигателей

Особенность ТВД заключается в больших расходах воздуха, проходящего через винт. В связи с этим для испытаний двигателя с винтом требуются стенды больших размеров. При этом условия течения воздуха в рабочей части стенда трудно приблизить к условиям обтекания двигателя и винта в условиях свободной атмосферы, что препятствует правильному определению тяги, создаваемой винтом и реактивной струей. Поэтому на практике реализуется методика, когда характеристики винта и двигателя определяются раздельно, в частности характеристики винта могут находиться при модельных испытаниях.

Отсутствие при испытаниях винта приводит к необходимости установки на стенд поглотителя мощности, который соединяется с силовой турбиной двигателя. При этом поглотитель мощности объединяется с устройством измерения крутящего момента, что позволяет вычислить, измерив частоту вращения вала, мощность, развиваемую силовой турбиной. В качестве поглотителя мощности используются различные устройства, часто для этой цели используется гидротормоз. Если двигатель испытывается без редуктора, то частота вращения вала будет равна частоте вращения силовой турбины, а в случае установки редуктора частота вращения вала, передающего мощность, будет значительно ниже и равна частоте вращения вала винта, что приводит к необходимости увеличивать габаритные размеры - поглотителя мощности. Габаритные размеры поглотителя мощности, в свою очередь, определяют компоновку испытательного стенда. В случае испытаний двигателя с редуктором и, следовательно, с поглотителем мощности большого размера последний устанавливается вне стенда.

При такой компоновке измеритель крутящего момента, совмещенный с поглотителем мощности, находится в благоприятных условиях, что облегчает измерение мощности с высокой точностью. Однако компоновка с выносным поглотителем мощности требует длинного вала, что вызывает трудности по обеспечению соосности валов редуктора и поглотителя мощности. Для соединения может применяться гибкая муфта, компенсирующая несоосность в несколько градусов.

Поскольку двигатель связан валом с поглотителем мощности, установленным на фундаменте, измерение тяги, создаваемой реактивной струей, невозможно. В этом случае приходится прибегать к ее косвенному определению. Для этого измеряют параметры потока на входе в сопло, полное давление р*_с, температуру торможения Т*_с, что вместе с измеренным расходом воздуха G_в и топлива G_т позволяет определить тягу сопла, производимую истекающей струей газа,

З

где l_с.ид - приведенная скорость, полученная при условии изоэнтропического расширения потока от давления р*_с до давления окружающей среды р _н.

Коэффициент тяги сопла может быть определен при специальных испытаниях, в том числе и при модельных.

Тяга двигателя без винта, как и ранее, находится по формуле

Р_V=Р_c-G_вV_п.

В целом ТВД характеризуется значением эквивалентной мощности

где N_в - мощность, развиваемая на валу и измеряемая при испытаниях; h_в - КПД винта.

Экономичность ТВД определяется удельным расходом топлива:

С_e=С_т/N_е.

Если двигатель испытывается без редуктора, то в связи с уменьшением габаритных размеров поглотителя мощности появляется возможность расположить его на динамометрической платформе вместе с двигателем. Такая компоновка позволяет провести измерение тяги двигателя, получаемой за счет реактивной струи. В этом случае измерение тяги на наземном стенде ничем не отличается от измерения тяги ТРД.

Измерение тяги на высотном стенде может быть обеспечено при испытаниях по схеме с перегородкой (рис. 5.10). В первом отсеке, в котором находится входное устройство, обеспечиваются заданные значения полного давления р*_в и температуры торможения Т*_в во входном сечении двигателя. Во втором отсеке, в котором находится реактивное сопло, устанавливается давление окружающей среды р_н.

Поскольку поглотитель мощности располагается рядом с двигателем, соединительный вал получается коротким, что облегчает обеспечение соосности. Однако имеются и недостатки такой компоновки. Поглотитель мощности и совмещенный с ним измеритель крутящего момента обтекаются потоком воздуха, поступающим в двигатель, температура которого меняется в широких пределах, что влияет на точность измерения крутящего момента.

Рис. 5.10. Установка двигателя на высотном стенде по схеме с перегородкой:

1 - барокамера; 2 - поглотитель мощности с измерителем крутящего момента; 3 - двигатель без редуктора; 4 - перегородка; 5 - соединительный вал; 6 - динамометрическая платформа

Между ресивером и барокамерой должно быть установлено устройство для получения равномерного потока во входном сечении барокамеры.

Для определения уравнения тяги рассмотрим контур, ограниченный сечением барокамеры, стенками барокамеры и перегородкой. Далее контур проходит по щели между перегородкой и капотом двигателя по наружной поверхности капота и сопла и замыкается выходным сечением сопла. Напишем для выделенного контура уравнение количества движения, пренебрегая трением о стенки барокамеры:

В этом уравнении сила Р_ст, действующая со стороны твердых тел, находящихся внутри выделенного контура (в том числе со стороны наружных и внутренних поверхностей двигателя и входного устройства), равна с обратным знаком силе, воспринимаемой силоизмерительным устройством стенда. Поэтому если эта измеренная сила направлена против полета, то в уравнение она входит с положительным знаком. Проведя преобразования и введя значение импульса потока в щели

I_щ= G_обдс_щ+F_щp_щ,

получим уравнение для тяги сопла

Как видно, необходимо измерить дополнительные величины, такие, как давление р_A и скорость с_A потока во входном сечении барокамеры A-А (см. рис. 5.10), давление на перегородке р_п, расход воздуха, обдувающего двигатель G_обд. Импульс в щели I_щ может быть найден специальной градуировкой. Для проведения градуировки необходимо поставить заглушки в начальном сечении барокамеры и в выходном сечении сопла, в первом отсеке создать давление р_п, а во втором - давление р_н и измерить силу, передаваемую на силоизмерительное устройство Р_гр. В уравнении количества движения для выделенного контура известны все составляющие, за исключением импульса I_щ. Нетрудно получить

Проведя измерения при различных отношениях давлений р_п/р_н, получают градуировочную зависимость в относительных координатах

В магистрали наддува отсека можно установить устройство для измерения расхода воздуха G_обд.

Установка поглотителя мощности значительно усложняет стенд и АСУ стенда. Если при испытаниях ТРД основной задачей АСУ стенда было поддержание постоянными параметров воздуха на входе и давления в барокамере или обеспечение их изменения по определенному закону, то при испытаниях ТВД к этому добавляется задача регулирования нагрузки на силовую турбину двигателя с помощью поглотителя мощности. На установившихся режимах работы двигателя нагрузка должна быть постоянной и равняться заданному значению, а на переходных режимах - изменяться в заданных пределах с заданной скоростью, имитируя' работу винта. Так, если приемистость ТВД составляет несколько секунд, то темп изменения нагрузки поглотителя будет составлять тысячи киловатт в секунду.

Испытания ТВД без винта не могут обеспечить проверку его прочностных и вибрационных свойств в полной мере, поскольку винт является мощным источником возбуждения колебаний и вибраций силовой установки. Поэтому прочностная доводка проводится на специальных стендах или в летающей лаборатории. Строительство стендов для испытаний ТВД с винтом в земных и высотных условиях связано с обеспечением больших расходов воздуха, что вызывает увеличение размеров стенда, а применительно к высотным условиям и значительное увеличение мощности высотно-компрессорной станции.

Другая особенность ТВД состоит в наличии дополнительной степени свободы по сравнению с ТРД. Первый двигатель обычно имеет два регулируемых параметра - частоту вращения ротора двигателя л и температуру газа перед турбиной Т*_г или за турбиной Т*_т. Соответственно имеются и два регулирующих фактора - расход топлива G_т и угол установки лопастей винта j. В связи с этим, при испытаниях двигателя без винта снимается не одна

Рис. 5.11. Поле дроссельных характеристик ТВД

дроссельная характеристика, а поле дроссельных характеристик (рис. 5.11). Соответствующей загрузкой гидротормоза можно получить зависимости мощности N_e от частоты вращения л при постоянных значениях температуры газа перед турбиной Т*_г. Область возможных режимов работы двигателя ограничивается максимальными n_max, Т*_{г max} и границей устойчивой работы двигателя.

На поле характеристик наносятся линии постоянных значений расхода топлива G_т и углов установки лопастей винта j. Последние находятся либо по результатам автономных (модельных или натурных) испытаний винта, либо по результатам испытаний двигателя с винтом, при этом двигатель оснащается встроенным в редуктор измерителем крутящего момента.

Полученная область режимов работы двигателя позволяет выбрать оптимальную программу дросселирования. На максимальном режиме в окрестности максимальных значений частоты вращения я и температуры газа Т*_г двигатель должен развивать требуемое по ТУ значение максимальной мощности (точка А на рис. 5.11). Линия АВ определяет наиболее экономичное дросселирование двигателя, поскольку на линиях постоянных расходов топлива выбирается точка с максимальной мощностью. Эта программа дросселирования достигался путем снижения расхода топлива при одновременном уменьшении угла установки лопастей винта. Для обеспечения лучшей приемистости может бытьвыбрана программа с увеличением частоты вращения n при j_min и затем с увеличением j при n=const (ломаная ВСА). Выбранная программа дросселирования и разгона окончательно отлаживается при испытаниях.