СПОСОБ ДОВОДКИ ОПЫТНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD OF OPERATIONAL DEVELOPMENT OF EXPERIMENTAL GAS-TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к авиационным газотурбинным двигателям.
Известен двухконтурный, двухвальный газотурбинный двигатель (ГТД), включающий турбокомпрессорные комплексы, один из которых содержит установленные на одном валу компрессор и турбину низкого давления, а другой содержит аналогично объединенные на другом валу, соосном с первым, компрессор и турбину высокого давления, промежуточный разделительный корпус между упомянутыми компрессорами, наружный и внутренние контуры, основную и форсажную камеры сгорания, камеру смешения газовоздушных потоков рабочего тела и регулируемое сопло (Н.Н. Сиротин и др. Основы конструирования производства и эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок в системе CALS технологий. Книга 1. М.: Наука, 2011 г., стр.19-46, рис.1.24).
Известен газотурбинный двигатель, который выполнен двухконтурным, содержит корпус, опертые на него компрессоры и турбины, охлаждаемую камеру сгорания, топливно-насосную группу, реактивные сопла, а также систему управления с командными и исполнительными органами (Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. Под редакцией Д.В. Хронина. М.: Машиностроение, 1989, с.12-88).
Известен способ разработки и испытаний авиационных газотурбинных двигателей, заключающийся в измерении параметров по режимам работы двигателя и приведении их к стандартным атмосферным условиям с учетом изменения свойств рабочего тела и геометрических характеристик проточной части двигателя при изменении атмосферных условий (Ю.А. Литвинов, В.О. Боровик. Характеристики и эксплуатационные свойства авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1979, 288 с., стр.136-137).
Известен способ испытания авиационных двигателей типа газотурбинных, включающий отработку заданных режимов, контроль параметров и оценку по ним ресурса и надежности работы двигателя. С целью сокращения времени испытаний при доводке двигателей 10-20% испытания проводят с температурой газа перед турбиной, превышающей максимальную рабочую температуру на 45-65°C (SU 1151075 A1, опубл. 10.08.2004).
Общими недостатками указанных известных технических решений являются повышенная трудо- и энергоемкость испытаний и недостаточно высокая надежность оценки тяги двигателя в широком диапазоне режимов и региональных температурно-климатических условий эксплуатации вследствие неотработанности программы приведения конкретных результатов испытаний, выполняемых в различных температурных и климатических условиях, к результатам, отнесенным к стандартным условиям атмосферы известными способами, которые не учитывают с достаточной корректностью изменение параметров и режимов работы двигателя в зависимости от принятых программ, адекватных полетным циклам, характерным для конкретного назначения разрабатываемого газотурбинного двигателя, что осложняет возможность приведения экспериментальных параметров испытаний к параметрам, соответствующим условиям стандартной атмосферы.
Задача изобретения заключается в разработке способа доводки опытного газотурбинного двигателя, совокупность технических решений которого обеспечивает улучшение тяги и повышение достоверности эксплуатационных характеристик для разных температурно-климатических условий различных регионов и режимов эксплуатации двигателя, а также в упрощении технологии и сокращении трудозатрат и энергоемкости процесса испытания ГТД на этапе доводки опытных ГТД при повышении репрезентативности результатов испытаний для полного диапазона перечисленных ситуаций применительно к полетным циклам двигателя в учебных и боевых условиях в различных регионах и сезонных периодах эксплуатации.
Поставленная задача решается тем, что в способе доводки опытного газотурбинного двигателя согласно изобретению доводке подвергают опытный двигатель, выполненный двухконтурным, двухвальным, при этом доводку двигателя производят поэтапно, для чего разрабатывают программу и алгоритмы доводочных испытаний опытного ГТД; на каждом этапе подвергают испытаниям на соответствие заданным параметрам статистически репрезентативное количество, преимущественно от одного до пяти экземпляров, и проводят обследование состояния каждого испытанного из упомянутого количества экземпляров опытного двигателя; для анализа и оценки состояния при необходимости производят разборку с последующей возможной доработкой и/или заменой деталей любого из модулей и/или узлов опытного двигателя, обследуют и при необходимости заменяют доработанными любой из поврежденных в испытаниях или несоответствующих требуемым параметрам модуль, в том числе компрессор низкого давления (КНД) с входным направляющим аппаратом (ВНА), содержащим силовые радиальные стойки, состоящие из неподвижного полого и управляемого подвижного элементов и равномерно разнесенные в плоскости входного сечения с угловой частотой размещения стоек в диапазоне (3,0÷4,0) ед./рад, а также ротор с валом, содержащим предпочтительно не более четырех рабочих колес с системой лопаток; газогенератор, включающий сборочные узлы - промежуточный корпус, компрессор высокого давления, основную камеру сгорания и турбину высокого давления; последовательно расположенные за газогенератором соосно установленные турбину низкого давления; смеситель; фронтовое устройство, форсажную камеру сгорания и всережимное поворотное реактивное сопло, включающее поворотное устройство, предпочтительно разъемно прикрепленное неподвижным элементом к форсажной камере сгорания, и регулируемое реактивное сопло, аналогично прикрепленное к подвижному элементу поворотного устройства с возможностью выполнения поворотов для изменения направления вектора тяги; а также установленный над основной камерой сгорания во внешнем контуре модуль воздухо-воздушный теплообменник, при необходимости обследуя любой не менее чем из шестидесяти трубчатых блок-модулей последнего, кроме того, обследуют и производят необходимую доводку коробки приводов двигательных агрегатов (КДА) и объединяющих указанные модули электрическую, пневматическую, гидравлические - топливную и масляную системы, включая при необходимости замену датчиков, командных блоков, исполнительных механизмов и кабелей систем диагностики и автоматического управления двигателем; при этом подвергают доводке опытный ГТД, ось вращения указанного поворотного устройства реактивного сопла которого выполнена повернутой относительно горизонтальной оси на угол не менее 30°, предпочтительно на (32÷34)° по часовой стрелке (вид по н.п.) для правого двигателя и на угол не менее 30°, предпочтительно на (32÷34)° против часовой стрелки (вид по н.п.) для левого двигателя; причем в программу испытаний с последующей доводочной доработкой включают испытания двигателя на определение влияния климатических условий на изменение эксплуатационных характеристик опытного ГТД; для этого подвергают испытанию не менее чем один, для репрезентативности предпочтительно три-пять опытных двигателя; испытания опытного двигателя проводят на различных режимах, параметры которых соответствуют параметрам полетных режимов в диапазоне, запрограммированном для конкретной серии двигателей, производят замеры и осуществляют приведение полученных значений параметров к стандартным атмосферным условиям с учетом изменения свойств рабочего тела и геометрических характеристик проточной части ГТД при изменении атмосферных условий, при этом предварительно создают математическую модель ГТД, корректируют ее по результатам стендовых испытаний репрезентативного количества от трех до пяти идентичных ГТД, а затем по математической модели определяют параметры двигателя при стандартных атмосферных условиях и различных температурах атмосферного воздуха из заданного рабочего диапазона температур стендовых испытаний с учетом принятой программы регулирования двигателя на максимальных и форсированных режимах, причем фактические значения параметров при конкретных температурах атмосферного воздуха каждого режима испытаний относят к значениям параметров при стандартных атмосферных условиях и вычисляют поправочные коэффициенты к измеренным параметрам в зависимости от температуры атмосферного воздуха, а приведение измеренных параметров к стандартным атмосферным условиям осуществляют умножением измеренных значений на коэффициенты, учитывающие отклонение атмосферного давления от стандартного, и на поправочный коэффициент, отражающий зависимость измеренных значений параметров от температуры атмосферного воздуха, зарегистрированной при конкретных испытаниях ГТД.
Испытания ГТД могут проводить с измерением параметров его работы на различных режимах, параметры которых соответствуют по величине и предельным значениям параметров полетных режимов в диапазоне, запрограммированном для конкретной серии двигателей, и осуществляют приведение полученных параметров к стандартным атмосферным условиям с учетом изменения свойств рабочего тела и геометрических характеристик проточной части двигателя при изменении атмосферных условий, при этом предварительно создают математическую модель двигателя, корректируют ее по результатам стендовых испытаний репрезентативного количества от трех до пяти двигателей, а затем по математической модели определяют параметры двигателя при стандартных атмосферных условиях и различных температурах атмосферного воздуха из заданного рабочего диапазона температур стендовых испытаний с учетом принятой программы регулирования двигателя на максимальных и форсированных режимах, причем фактические значения параметров при конкретных температурах атмосферного воздуха каждого режима испытаний относят к значениям параметров при стандартных атмосферных условиях и вычисляют поправочные коэффициенты к измеренным параметрам в зависимости от температуры атмосферного воздуха, а приведение измеренных параметров к стандартным атмосферным условиям осуществляют умножением измеренных значений на коэффициенты, учитывающие отклонение атмосферного давления от стандартного, и на поправочный коэффициент, отражающий зависимость от температуры атмосферного воздуха, зарегистрированной при конкретных испытаниях, и с учетом полученных данных выполняют последующий цикл испытаний с нагружением двигателя, в процессе которого оценивают изменение параметров.
Доводке могут подвергать опытный двигатель, ВНА КНД которого содержит предпочтительно двадцать три радиальные стойки, соединяющие наружное и внутреннее кольца ВНА с возможностью передачи нагрузок от внешнего корпуса двигателя на переднюю опору, причем, по меньшей мере, часть стоек совмещена с каналами масляной системы, размещенными в неподвижных элементах стоек, с возможностью подачи и отвода масла, а также суфлирования масляной и предмасляных полостей передней опоры ротора КНД.
вх.пр
зт
плн
Доводке могут подвергать опытный ГТД, площадь фронтальной проекции входного проема F ВНА КНД которого, геометрически определяющая поперечное сечение входного устья воздухозаборного канала, ограниченного на большем радиусе внутренним контуром наружного кольца ВНА, а на меньшем радиусе внутренним контуром внутреннего кольца ВНА, выполнена превышающей суммарную площадь аэродинамического затенения F, создаваемого фронтальной проекцией кока и радиальных стоек, в (2,54÷2,72) раза и составляет (0,67÷0,77) от полной площади круга F, ограниченного радиусом внутреннего контура наружного кольца ВНА в плоскости входного проема.
Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков, состоит в разработке способа доводки газотурбинного двигателя с улучшенными эксплуатационными характеристиками, а именно тягой и повышенной надежностью указанных характеристик ГТД за счет более достоверного и корректного приведения экспериментально полученных параметров двигателя к параметрам, соответствующим стандартным атмосферным условиям, а также в повышении репрезентативности результатов испытаний, проводимых на этапе доводки опытных ГТД, для полного диапазона полетных циклов в различных климатических условиях. Этого достигают тем, что в соответствии с изобретением перед проведением испытаний создают математическую модель двигателя. Проводят испытания репрезентативного количества двигателей из партии опытно произведенных ГТД по разработанной программе и спектру режимов испытаний. По результатам испытаний корректируют математическую модель, посредством которой на базе последующих испытаний при конкретных температурах определяют параметры двигателя при стандартных атмосферных условиях и различных температурах. Приведение измеренных значений параметров конкретных испытаний к стандартным осуществляют посредством поправочных коэффициентов.
Технический результат, достигаемый изобретением, позволяет упростить последующие испытания, повысить корректность и расширить репрезентативность оценки важнейших характеристик, в первую очередь, тяги с корректным распространением репрезентативных оценок на широкий диапазон региональных и сезонных условий последующей летной эксплуатации двигателей.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображен газотурбинный двигатель, продольный разрез;
на фиг.2 - входной направляющий аппарат КНД, вид сверху.
В способе доводки газотурбинного двигателя доводке подвергают опытный двигатель, выполненный двухконтурным, двухвальным. Доводку двигателя производят поэтапно, для чего разрабатывают программу и алгоритмы доводочных испытаний опытного ГТД. На каждом этапе подвергают испытаниям ГТД на соответствие заданным параметрам статистически репрезентативное количество, преимущественно от одного до пяти экземпляров, двигателей и проводят обследование состояния каждого испытанного из упомянутого количества экземпляров опытного двигателя. Для анализа и оценки состояния ГТД при необходимости производят разборку с последующей возможной доработкой и/или заменой деталей любого из модулей и/или узлов опытного двигателя. Обследуют и при необходимости заменяют доработанными любой из поврежденных в испытаниях или несоответствующих требуемым параметрам модуль.
ГТД содержит не менее восьми модулей - от компрессора 1 низкого давления до всережимного поворотного реактивного сопла. КНД включает входной направляющий аппарат 2, а также ротор с валом 3, содержащим предпочтительно не более четырех рабочих колес 4 с системой лопаток 5. ВНА 2 содержит силовые радиальные стойки 6, состоящие из неподвижного полого и управляемого подвижного элементов. Радиальные стойки 6 равномерно разнесены в плоскости входного сечения с угловой частотой размещения стоек в диапазоне (3,0÷4,0) ед./рад.
Газогенератор включает сборочные узлы, а именно промежуточный корпус 7, компрессор 8 высокого давления, основную камеру 9 сгорания и турбину 9 высокого давления. За газогенератором последовательно расположены и соосно установлены турбина 11 низкого давления, смеситель 12, фронтовое устройство 13, форсажная камера 14 сгорания и всережимное поворотное реактивное сопло. Указанное сопло включает поворотное устройство 15, предпочтительно разъемно прикрепленное неподвижным элементом к форсажной камере 14 сгорания, и регулируемое реактивное сопло 16, аналогично прикрепленное к подвижному элементу поворотного устройства 15 с возможностью выполнения поворотов для изменения направления вектора тяги.
Над основной камерой 9 сгорания во внешнем контуре ГТД установлен модуль воздухо-воздушный теплообменник 17, при необходимости обследуя любой не менее чем из шестидесяти трубчатых блок-модулей последнего. Кроме того, обследуют и производят необходимую доводку коробки приводов двигательных агрегатов (на чертежах не показано) и объединяющих указанные модули электрическую, пневматическую, гидравлические - топливную и масляную системы, включая при необходимости замену датчиков, командных блоков, исполнительных механизмов и кабелей систем диагностики и автоматического управления двигателем.
Подвергают доводке опытный ГТД, ось вращения поворотного устройства 15 реактивного сопла которого выполнена повернутой относительно горизонтальной оси на угол не менее 30°, предпочтительно на (32÷34)° по часовой стрелке (вид по направлению полета) для правого двигателя и на угол не менее 30°, предпочтительно на (32÷34)° против часовой стрелки (вид по направлению полета) для левого двигателя.
В программу испытаний с последующей доводочной доработкой включают испытания двигателя на определение влияния климатических условий (ВКУ) на изменение эксплуатационных характеристик опытного ГТД. Для этого подвергают испытанию не менее чем один, для репрезентативности предпочтительно три-пять опытных двигателя. Испытания опытного двигателя проводят на различных режимах параметрах. Параметры соответствуют параметрам полетных режимов в диапазоне, запрограммированном для конкретной серии двигателей. Производят замеры и осуществляют приведение полученных значений параметров к стандартным атмосферным условиям с учетом изменения свойств рабочего тела и геометрических характеристик проточной части газотурбинного двигателя при изменении атмосферных условий. При этом предварительно создают математическую модель газотурбинного двигателя. Корректируют модель по результатам стендовых испытаний репрезентативного количества от трех до пяти идентичных ГТД. Затем по математической модели определяют параметры ГТД при стандартных атмосферных условиях и различных температурах атмосферного воздуха из заданного рабочего диапазона температур стендовых испытаний с учетом принятой программы регулирования двигателя на максимальных и форсированных режимах. Фактические значения параметров при конкретных температурах атмосферного воздуха каждого режима испытаний относят к значениям параметров при стандартных атмосферных условиях и вычисляют поправочные коэффициенты к измеренным параметрам в зависимости от температуры атмосферного воздуха. Приведение измеренных параметров к стандартным атмосферным условиям осуществляют умножением измеренных значений на коэффициенты, учитывающие отклонение атмосферного давления от стандартного, и на поправочный коэффициент. Поправочный коэффициент отражает зависимость измеренных значений параметров от температуры атмосферного воздуха, зарегистрированной при конкретных испытаниях ГТД.
Вариантно испытания ГТД проводят с измерением параметров его работы на различных режимах, параметры которых соответствуют по величине и предельным значениям параметров полетных режимов в диапазоне, запрограммированном для конкретной серии двигателей. Осуществляют приведение полученных параметров к стандартным атмосферным условиям с учетом изменения свойств рабочего тела и геометрических характеристик проточной части двигателя при изменении атмосферных условий. Также при этом предварительно создают математическую модель двигателя и корректируют ее по результатам стендовых испытаний репрезентативного количества от трех до пяти двигателей. По математической модели определяют параметры двигателя при стандартных атмосферных условиях и различных температурах атмосферного воздуха из заданного рабочего диапазона температур стендовых испытаний с учетом принятой программы регулирования двигателя на максимальных и форсированных режимах. Фактические значения параметров при конкретных температурах атмосферного воздуха каждого режима испытаний относят к значениям параметров при стандартных атмосферных условиях и вычисляют поправочные коэффициенты к измеренным параметрам в зависимости от температуры атмосферного воздуха. Приведение измеренных параметров к стандартным атмосферным условиям осуществляют умножением измеренных значений на коэффициенты, учитывающие отклонение атмосферного давления от стандартного, и на поправочный коэффициент, отражающий зависимость от температуры атмосферного воздуха, зарегистрированной при конкретных испытаниях. С учетом полученных данных выполняют последующий цикл испытаний с нагружением двигателя, в процессе которого оценивают изменение параметров.
Доводке подвергают опытный двигатель, ВНА 2 КНД 1 которого содержит предпочтительно двадцать три радиальные стойки 6, соединяющие наружное и внутреннее кольца 18 и 19 соответственно ВНА 2 с возможностью передачи нагрузок от внешнего корпуса 20 двигателя на переднюю опору. По меньшей мере, часть стоек 6 совмещена с каналами масляной системы, размещенными в неподвижных элементах стоек, с возможностью подачи и отвода масла, а также суфлирования масляной и предмасляных полостей передней опоры ротора КНД.
вх.пр
зт
плн
Доводке подвергают опытный ГТД, площадь фронтальной проекции входного проема F ВНА 2 КНД 1 которого, геометрически определяющая поперечное сечение входного устья воздухозаборного канала 21, ограниченного на большем радиусе внутренним контуром наружного кольца 18 ВНА 2, а на меньшем радиусе внутренним контуром внутреннего кольца 19 ВНА, выполнена превышающей суммарную площадь аэродинамического затенения F, создаваемого фронтальной проекцией кока 22 и радиальных стоек 6, в (2,54÷2,72) раза и составляет (0,67÷0,77) от полной площади круга F, ограниченного радиусом внутреннего контура наружного кольца 18 ВНА в плоскости входного проема.
Пример реализации испытания опытного газотурбинного двигателя
ВХ
Испытаниям подвергают репрезентативную группу из трех-пяти ГТД. При этом используют предварительно разработанную математическую модель двигателя. Испытания указанной группы ГТД проводят при температуре t=0°C, Ba=745 мм рт.ст.
По результатам замеров и их статистического обобщения получают значения параметров: усилия тяги двигателя R=985 кгс и частоту вращения n=98,8%.
ВХ
Для последующей оценки результатов испытаний используют математическую модель двигателя, по которой проводят расчет параметров на различных режимах работы двигателя в диапазоне температур воздуха на входе в двигатель, в том числе и при t=+15°C. Результаты расчета представлены в Табл.1.
Табл.1
t<sub>ВХ</sub>, °C
-15
0
+15
+30
Температура на входе в ГТД
R, кгс
1000
980
970
950
Усилие тяги
n, %
98
99
100
100
частота вращения
ВХ
Сопоставляют полученные выше данные и вычисляют поправочные коэффициенты путем отношения значения параметра при t=+15°C к значениям параметра в заданном диапазоне температур на входе в двигатель (Табл.2).
Табл.2
t<sub>ВХ</sub>, °C
-15
±0
+15
+30
K<sub>R</sub>
0,97
0,99
1
1,021
Kn
1,02
1,01
1
1
Затем определяют параметры при стандартных атмосферных условиях (MCA)
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>M</mi><mi>C</mi><mi>A</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>R</mi><mo>×</mo><msub><mi>K</mi><mi>R</mi></msub><mo>×</mo><mfrac><mrow><mn>760</mn></mrow><mrow><mi>B</mi><mi>a</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>985</mn><mo>×</mo><mn>0,99</mn><mo>×</mo><mfrac><mrow><mn>760</mn></mrow><mrow><mn>745</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>995</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>г</mi><mi>с</mi></mrow>
,
MCA
n=n×Kn=98,8×1,01=99,79%
и вносят полученные данные в сопроводительную документацию соответствующей группы ГТД.
ВХ
Используют полученные выше параметры ГТД для вычисления соответствующих параметров применительно к температурно-климатическим условиям конкретных районов эксплуатации двигателей в диапазоне рабочих температур наружного воздуха t=±50°C. Экстремальные для указанного диапазона температур значения параметров ГТД, полученные на основе результатов испытаний с использованием математической модели и данных при стандартных атмосферных условиях (MCA), представлены в Табл.3 и Табл.4.
Табл.3
t<sub>ВХ</sub>, °C
-50
-15
0
+15
+20
+50
Температура на входе в ГТД
R, кгс
1200
1000
980
970
950
900
Усилие от тяги
n, %
96
98
99
100
100
100
частота вращения
Табл.4
t<sub>ВХ</sub>, °C
-50
-15
0
+15
+20
+50
K<sub>R</sub>
0,81
0,97
0,99
1
1,021
1,078
Kn
1,042
1,02
1,01
1
1
1
Из Табл.3 и Табл.4 видно, что тяга в экстремальном диапазоне температур от (-50)°C до (+50)°C изменяется на одну треть при изменении оборотов на 4%.
Таким образом, изобретение позволяет повысить достоверность результатов испытаний газотурбинных двигателей с учетом принятых программ управления.
Изложенную выше последовательность испытания ГТД применяют для оценки изменения тяги для различных температурно-климатических условий и режимов работы двигателя.