Способ испытания газотурбинного двигателя
TEST METHOD OF GAS TURBINE ENGINE

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.
Б
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 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;
H
Р - статическое давление окружающей среды;
Г
(<1,86 при показателе адиабаты газа к=1,33);
2. Степень  понижения давления в сопле наружного контура
где:  - полное давление в наружном контуре ТРДД;
В
(<1,89 при показателе адиабаты воздуха к=1,4).
Н
Отношение давлений  в сопле к давлению Р 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
C
где F - 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.
Б
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 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
Б
при условии, что степень понижения давления меньше ее критической величины, определяют величину отношения давлений на двигателе как полное давление  к статическому давлению Р 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.
С
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 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
В.ПР
n=const.
Способ испытания газотурбинного двигателя реализуется следующим образом.
ДВ.ПР
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 двигателя в испытательном боксе испытательного стенда с механически присоединенным лемнискатным насадком
где:
СТ
R - измеренная сила от тяги двигателя, измеряемая СИС;
С
F - измеренная площадь выходного сечения сопла двигателя;
ПАР
R- поправка от аэродинамического сопротивления двигателя, коммуникаций и стендового оборудования, размещенных на динамометрической платформе СИС стенда.
ДВ.ПР
0.ДВ.ПР
После определения величины приведенной тяги R 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 двигателя в испытательном боксе испытательного стенда с отсоединенным лемнискатным насадком
где:
B
G - измеренный массовый расход воздуха, измеряемый в РМК;
ЛАБ
V - измеренная скорость воздуха в сечении лабиринтного уплотнения;
ЛАБ
F - измеренная площадь лабиринтного уплотнения;
ЛАБ
Р - измеренное статическое давление воздуха в сечении лабиринтного уплотнения.
Б
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 в испытательном боксе.
С.ПР
Дополнительно измеряют в процессе испытания величину приведенной тяги R сопла двигателя в испытательном боксе испытательного стенда с помощью механически присоединенного лемнискатного насадка как:
ПАР
Величина R может быть определена по методике, изложенной в ОСТ 102781-2004.
ВУ
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 ) 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
Б
Определяют величину отношения давлений на двигателе как полное давление  к статическому давлению Р 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
В.ПР
n=const.
С
На форсажном режиме работы двигателя поправка δR 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
0
где В - барометрическое давление;
0
3. Статическое давление, действующее на наружные поверхности двигателя, одинаково во всех точках поверхности и равно В;
4. Атмосферные условия стандартные:
0
В=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).
С
Далее выполняют коррекцию величины приведенной тяги сопла (3) на величины поправок δR и определяют приведенные значения стендовой тяги двигателя с механически присоединенным лемнискатным насадком как:
где
С
δR - поправка к значению тяги сопла испытываемого двигателя в зависимости от отклонения величины измеренного отношения давлений
от значения
для стандартных условий
Н=0, Мп=0
ПР
на фактическом режиме работы двигателя (например, на режиме постоянной приведенной частоте вращения ротора ГТД n=const). При измерении величины отношения давлений
ВХ
учитывается фактическая величина коэффициента σ потерь полного давления во входном устройстве.
После коррекции приведенной тяги сопла (6) ее величина становится равной приведенной стендовой тяге двигателя, т.е.
C
Далее выполняют коррекцию величины приведенной тяги сопла на величины поправок δR 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.
ВУ.ПР
На бесфорсажных режимах работы двигателя определяют относительные величины приведенной поправки входного импульса ΔR как калибровочные зависимости вида:
где:
В.ПР
G - приведенный расход через испытываемый ГТД;
пр
n - приведенная частота вращения ротора ГТД;
ДВ.ПР
R - стендовая тяга по формуле (6) или (7).
ВУ.ПР
На форсажных режимах работы двигателя определяют относительную величину приведенной поправки (8) или (9) входного импульса ΔR как калибровочная зависимость вида:
Σ.ПР
где α - 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:
1
2
3
ДВ.ПР
С помощью полученных калибровочных зависимостей f, f и f вида (11), (12) и (13) для выбранного (закрытого) испытательного бокса и типа испытываемого ГТД и по определенной величине приведенной стендовой тяги R 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:
ВУ.ПР
где ΔR - 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.