Способ испытания газотурбинного двигателя
TEST METHOD OF GAS TURBINE ENGINE

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.
1
Б
ВУ
Б
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 G воздуха через двигатель, скорость V потока воздуха и статическое давление Р в боксе и с учетом измеренных величин определяют величину поправки ΔR на входной импульс стендовой тяги, причем скорость V потока воздуха и статическое давление Р 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;
вх.лемн.
d - диаметр входного сечения лемнискатного насадка,
Б
Б
З
Б
∑
Б
Б
З
ВУ
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 поперечного сечения бокса, температуру T воздуха в первом сечении бокса и давление Р воздуха во втором сечении бокса, расположенном в плоскости, соответствующей выходу внешней части профиля лемнискатного насадка, с учетом измеренных величин вычисляют плотность ρ воздуха в первом сечении бокса, суммарный расход G воздуха в первом сечении бокса, среднюю скорость V потока в боксе и относительную скорость  потока воздуха, сравнивают величины измеренных давлений Р и Р и по результатам сравнения определяют характер течения воздуха, с учетом которого определяют величину перепада ΔР давления в боксе, при этом величину поправки ΔR на входной импульс стендовой тяги определяют из соотношения:
где:
2
1
n - величина относительного расхода воздуха в боксе, равная отношению G к G;
2
∑
1
G - расход внешнего потока воздуха, равный разности величин - G-G;
ВХ
F - 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;
BУ
на фиг. 4 представлена таблица результатов расчета для определения величины поправки ΔR на входной импульс стендовой тяги в зависимости от режима работы двигателя.
Способ испытания газотурбинного двигателя осуществляется следующим образом.
СИС
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 двигателя 1 с механически присоединенным лемнискатным насадком 3 (фиг. 1).
1
Б
Измеряют массовый расход G воздуха через двигатель 1 в расходомерном коллекторе (РМК) (на чертежах не показан), а скорость V потока воздуха и статическое давление Р 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;
вх.лемн.
d - 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.
ВУ
Б
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 на входной импульс стендовой тяги по результатам расчетов. В этом же сечении размещается приемник статического давления для измерения Р.
Б
Б
З
Дополнительно в процессе испытания измеряют площадь Fпоперечного сечения бокса 2, температуру Т воздуха в первом сечении бокса 2 и давление Р 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).
Б
∑
Б
ВУ
С учетом измеренных величин параметров по известным уравнениям газовой динамики вычисляют плотность ρ воздуха в первом сечении бокса 2, суммарный расход G воздуха в первом сечении бокса 2, среднюю скорость V потока в боксе 2, относительную скорость  потока воздуха и определяют величину поправки ΔR на входной импульс стендовой тяги.
Б
Плотность ρ воздуха может быть вычислена из уравнения состояния:
где:
B
R - газовая постоянная воздуха.
∑
Суммарный расход G воздуха в первом сечении бокса 2 вычисляется исходя из уравнения расхода:
где:
Б
F - 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.
Б
Средняя скорость V потока в боксе 2 вычисляется из уравнения расхода по соотношению:
Относительная скоростьпотока воздуха может быть вычислена следующим образом.
1
В первом сечении бокса 2 с центром по оси двигателя 1 задают площадь, примерно равную отношению измеренного массового расхода G воздуха к произведению
Б
Б
ρ⋅V,
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.
CP.i
В каждом кольце определяют среднюю скорость V потока из 4-х значений измеренной скорости потока по образующим 1-3 и 2-4, а также расход воздуха в каждом кольце.
1
1
1
1
1
Б
Далее посредством аппроксимации находят такую площадь F в первом сечении бокса 2, которая соответствует измеренному массовому расходу G воздуха через двигатель 1, вычисляют среднюю скорость V потока через участок площади F по соотношению (1) и относительную скорость  потока воздуха как отношение V к V.
Б
З
З
Б
З
Б
З
Б
Сравнивают величины измеренных давлений Р и Р 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 меньше Р, течение воздуха считают отрывным, и определяют ΔР как разность измеренных величин давлений Р-Р, а в случае если Р больше Р, течение воздуха считают безотрывным и определяют ΔР по соотношению:
где:
2
V - средняя скорость обдувающего потока воздуха в первом сечении бокса 2;
3
Б
ВХ
V - средняя скорость потока воздуха по площади F-F во втором сечении бокса 2;
BX
F - площадь входного сечения лемнискатного насадка 3.
2
3
Б
1
Б
BX
2
∑
1
При этом величины V и V определяют, подставляя в соотношение (1) величины разности площадей F-F и F-F соответственно, а также величину расхода G внешнего потока воздуха, равную разности величин G-G.
ВУ
Величину поправки ΔR на входной импульс стендовой тяги определяют из следующего соотношения:
2
1
где n - величина относительного расхода воздуха в боксе 2, равная отношению G к G.
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:
0
f - 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.
ВУ
Согласно заявленному способу был проведен расчет для определения величины поправки ΔR в боксе испытательного стенда для одного типа ТРДДФ по следующим измеренным данным:
B
2
F=8 м ⋅ 8,5 м=68 м;
BX
2
F=1,94 м;
1
G=111,3 кг/с;
n=4,3;
Б
3
ρ=1,2 кг/м;
Б
V=7,23 м/с.
Расчет проведен для диапазона 1-1,3 относительной скорости  потока воздуха с учетом ее неравномерности в первом сечении бокса 2.
ВУ
На фиг. 4 представлена таблица результатов расчета для определения величины поправки ΔR на входной импульс стендовой тяги в испытательном боксе 2 испытательного стенда в зависимости от режима работы двигателя 1.
ВУ
ВУ
Расчет показал (фиг. 4), что с увеличением неравномерности скорости потока в первом сечении бокса 2 (с увеличением ) величина поправки ΔR увеличивается, что было подтверждено испытаниями. Так, на «максимальном» режиме при увеличении относительной скорости  потока с 1,0 до 1,3 величина поправки ΔR увеличивается на 39%.
При безотрывном течении воздуха в боксе 2 перепад давлений
3
Б
Р-Р>0,
ВУ
при этом третий член соотношения (2) вычитается, тем самым уменьшая величину поправки ΔR.
При отрывном течении воздуха перепад давлений
3
Б
Р-Р<0,
ВУ
ВУ
ВУ
при этом третий член соотношения (2) прибавляется, тем самым увеличивая величину поправки ΔR. По результатам испытаний величина поправки ΔR при отрывном течении воздуха в 1,4-2 раза больше величины ΔR в случае безотрывного течения в боксе 2.
ВУ
ДВ
Найденная предложенным способом по соотношению (2) поправка ΔR на входной импульс стендовой тяги используется для определения стендовой тяги R испытываемого ГТД как:
ДВ
СИС
∑
СИС
ВУ
ПАР
C
R=R+ΔR=R+(ΔR+ΔR+ΔR),
где
∑
ΔR - величина суммарной поправки к тяге ГТД на влияние аэродинамики испытательного бокса, состоящая из:
ВУ
ΔR - величина поправки на входной импульс стендовой тяги, Н;
ПАР
ΔR - величина аэродинамического сопротивления ГТД, коммуникаций и стендового оборудования, размещенных на динамометрической платформе СИС стенда, Н;
C
Б
ΔR - величина поправки на неравенство полного давления  на входе в ГТД и статического давления Р 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.