СПОСОБ АВТОНОМНЫХ ИСПЫТАНИЙ ФОРСАЖНОЙ КАМЕРЫ СО СМЕШЕНИЕМ ПОТОКОВ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВУХКОНТУРНОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD FOR CONDUCTING STAND-ALONE TESTS ON MIXED FLOW AFTERBURNERS OF BYPASS TURBOFAN ENGINES

СМ
Изобретение относится к области экспериментальной (и промышленной) аэродинамики, а именно к газодинамическим испытаниям устройств, имеющих в проточном тракте на входе температурную неравномерность потока, например смесительным устройствам и форсажным камерам (ФК) турбореактивных двухконтурных двигателей (ТРДДФ), натурные испытания которых связаны с большой затратой времени и существенными материальными расходами.
СМ
На современном этапе развития авиационной техники повышение экономичности ТРДДФ требует уменьшения потерь полного давления во всех узлах двигателя, включая элементы проточной части форсажной камеры, к основным из которых следует отнести смеситель, диффузор и стабилизаторы пламени. Смеситель служит для согласования параметров потоков внутреннего и наружного контуров двигателя и для организации процесса их смешения. Диффузор предназначен для снижения скорости потока перед фронтовым устройством, а стабилизаторы пламени обеспечивают надежность и устойчивость процесса горения.
Известен способ испытаний форсажной камеры в составе одноконтурного турбореактивного двигателя (ТРДФ) с измерением основных термодинамических параметров рабочего тела по тракту проточной части ФК (см. Солохин Э.Л. Испытания авиационных воздушно-реактивных двигателей. М., Машиностроение, 1975, стр.38-47, рис.2.3). В данном способе гидравлические потери в проточной части форсажной камеры, т.е. между турбиной и соплом оцениваются коэффициентом восстановления полного давления
где
- полное давление на срезе сопла;
- полное давление на выходе турбины.
Потери также могут быть определены по элементам проточной части, расположенным за турбиной:
где
- коэффициент восстановления полного давления в проточной части на участке между турбиной и выходом внутреннего обтекателя турбины;
- полное давление в выходом сечении канала с внутренним обтекателем турбины;
- коэффициент восстановления полного давления в проточной части на участке между выходом внутреннего обтекателя турбины и входом в сопло;
- полное давление перед соплом ФК;
- коэффициент восстановления полного давления в проточной части на участке между входом и выходом сопла.
Однако для данной форсажной камеры нет температурной неравномерности на входе, обусловленной наличием потоков внутреннего и наружного контуров.
СМ
СМ
Применительно к двухконтурным двигателям - ТРДДФ характеристики, полученные при автономных испытаниях форсажных камер сгорания, используют при коррекции расчетных методик и доводке двигателя. Однако у различных ТРДДФ на входе в камеру смешения или ФК температурная неравномерность потока различна, а у одного и того же двигателя она изменяется по режимам работы. Это затрудняет систематизацию и обобщение результатов испытаний, полученных при различных уровнях температур потоков в контурах.
На стадиях предварительного проектирования исследования гидравлических характеристик могут выполняться на моделях ФК, что существенно снижает стоимость работ. При этом возможность проведения испытаний при пониженных температурах еще более уменьшает финансовые затраты. Последнее относится и к автономным испытаниям натурных камер.
Известно устройство и способ автономных испытаний ФК двухконтурного турбореактивного двигателя (см. Авторское свидетельство СССР №231869, МПК G01m, 1966). Устройство содержит камеру смешения и подогреватель. В газовоздушном тракте за камерой смешения установлена автономная ФК со сменными разделителями активного и пассивного потоков на входе. Газодинамические параметры потока (полные давления и температуры торможения) замеряются на входе и выходе форсажной камеры. Для подачи топлива и создания устойчивого горения камера оборудована двумя автономными топливными системами. Устройство используется для регулирования длины зоны смешения потоков и расширения диапазона измерения параметров струи на выходе из двигателя. По газодинамическим параметрам на входе и выходе форсажной камеры можно определить в целом потери в камере. Однако при данном способе препарирования невозможно определить, в каком именно элементе проточного тракта возникают эти потери.
5
Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является способ испытаний ФК турбореактивного двухконтурного двигателя по авторскому свидетельству СССР №790958, М. Кл. G01M 15/00, 1997.
Согласно этому изобретению газодинамические испытания проводятся для ФК турбореактивного двухконтурного двигателя, содержащей смеситель, диффузор, стабилизаторы пламени, регулируемое сопло. ФК присоединена к стендовым воздуховодам внутреннего и наружного контуров двигателя с внутренним обтекателем. ФК и воздуховод внутреннего контура снабжены датчиками давления, которые через усилитель соединены с сравнивающим устройством, имеющим ввод программы испытаний. Автономные испытания заключаются в том, что через воздуховоды и смеситель подают воздух в камеру с параметрами согласно программе. Замеряют значения давлений воздуха в воздуховоде внутреннего контура и камере. Оценивают значения замеров давлений в сравнивающем устройстве со значениями давлений, заданными программой испытаний. По результатам оценки определяют величину потерь давления в камере.
В данных испытаниях одним из условий является обеспечение и поддержание входных параметров потоков в контурах, соответствующих реальным режимам работы двигателя. Это, прежде всего, относится к уровню давлений и температур торможения потоков.
СМ
Значения температур торможения потока за турбиной современных и перспективных ТРДДФ достигают 1100-1500 К, поэтому их обеспечение при испытаниях по исследованию газодинамических характеристик ФК приводит к существенному увеличению всех видов затрат. В настоящее время при создании ВРД всех видов идет «борьба» за снижение каждого процента потерь как отдельного узла, так и в двигателе в целом.
Основные конструктивные элементы проточного тракта ФК - такие как смеситель, диффузор, стабилизаторы пламени - вносят наибольший вклад в уровень гидравлических потерь. Потери в каждом элементе и камере в целом могут быть определены по результатам измерений полей полных давлений на входе и выходе.
В основу изобретения положены решения следующих задач:
СМ
- снижение времени и стоимости газодинамических натурных и модельных испытаний ФК ТРДДФ за счет их проведения при пониженных уровнях входных температур потоков во внутреннем и наружном контурах вплоть до одинаковых значений (равных, например, наземным стандартным атмосферным условиям);
- создание достоверного способа учета влияния температурной неравномерности потоков в контурах ФК, позволяющего адекватно пересчитывать результаты испытаний, полученные при пониженных входных температурах, на реальные условия работы двигателя.
Поставленные задачи решаются тем, что ФК содержит смеситель, диффузор, стабилизаторы пламени, регулируемое сопло и присоединена к стендовым воздуховодам наружного и внутреннего контуров с внутренним обтекателем. Камера и воздуховод внутреннего контура снабжены датчиками давления. При испытаниях через воздуховоды подают воздух в камеру согласно программе испытаний, измеряют значения давлений воздуха в воздуховоде внутреннего контура и камере. Оценивают замеры давлений в сравнивающем устройстве со значениями давлений, заданными программой испытаний. По результатам оценки определяют величину потерь давления в камере.
Новым в изобретении является то, что при испытаниях дополнительно замеряют значения полного давления воздуха в воздуховодах внутреннего и наружного контуров, на входе и на срезе смесителя, выходе из диффузора и перед соплом форсажной камеры. На вход воздуховодов внутреннего и наружного контуров подают воздух одинаковой пониженной температуры (вплоть до атмосферных значений). Причем в качестве характеристики входной неравномерности устанавливают величину отношения средних полных давлений потоков в контурах, соответствующую заданному значению для реального двигателя. Изменением площади сопла добиваются критического режима истечения из него, чем достигается постоянное значение среднемиделевой приведенной скорости в камере. В результате расходы воздуха и физические скорости потоков в контурах не будут соответствовать условиям реального двигателя. Однако числа Рейнольдса потоков должны находиться в автомодельной области. На установленном режиме измеряют величины полного давления потока на входе и выходе исследуемого участка проточного тракта (смесителя, диффузора или стабилизаторов пламени) и камеры в целом. По результатам измерений полей полного давления в характерных сечениях исследуемых участков проточного тракта выполняют процедуры их осреднения и определяют коэффициенты восстановления полного давления в соответствующих участках ФК.
Пересчет результатов по потерям на реальные условия работы двигателя для исследуемого участка и камеры в целом осуществляют по заданным зависимостям. Для камеры в целом (от сечения перед смесителем до сечения перед соплом) коэффициент восстановления полного давления определяют зависимостью
где  - среднее полное давление на входе в ФК (перед смесителем), найденное осреднением по модели идеального турбокомпрессора, индекс L;
- расчетный параметр, внешне аналогичный коэффициенту восстановления полного давления для потерь смешения;
- среднеимпульсное (индекс J) полное давление перед соплом ФК;
- среднеимпульсное полное давление на входе в ФК;
- отношение температур торможения потоков в контурах (для изотермических испытаний θ=1,0, для неизотермических θ>1,0).
Подача на вход воздуховодов внутреннего и наружного контуров ФК воздуха одинаковой пониженной температуры позволяет уменьшить стоимость самих испытаний, упростить эксперимент, снизить требования к материалам модели и технологическим системам стенда, повысить уровень безопасности испытаний.
Измерение величины полного давления потока на входе и выходе исследуемого участка проточного тракта камеры в целом и по элементам (смесителю, диффузору или стабилизатору пламени) позволяет определить потери в каждом элементе камеры или камере в целом и таким образом повысить надежность получаемых результатов.
Моделирование величины отношения полных давлений потоков в контурах в качестве характеристики входной неравномерности обеспечивает корректность применения способа пересчета получаемых результатов на реальные условия работы двигателя.
Пересчет получаемых результатов на реальные условия работы двигателя для конкретных исследуемых участков проточного тракта камеры нужно осуществлять по следующим зависимостям, которые развивают существенные признаки изобретения.
Для каналов внутреннего и наружного контуров смесителя коэффициенты восстановления полного давления определяют по зависимостям
; .
где  - среднее полное давление на выходе смесителя по внутреннему контуру;
- среднее полное давление на выходе смесителя по наружному контуру;
- среднее полное давление на входе смесителя по внутреннему контуру.
- среднее полное давление на входе смесителя по наружному контуру.
Значения всех указанных давлений находят по одному способу осреднения (в данном случае использован способ осреднения по модели идеального турбокомпрессора, индекс L).
Для смесителя в целом коэффициент восстановления полного давления определяют как
где
- среднее полное давление на выходе смесителя;
- среднее полное давление на входе в смеситель.
Данный способ позволяет исследовать гидравлические потери в каналах смесителя в самостоятельных автономных испытаниях при пониженных уровнях температур, увеличить число вариантов исследуемых смесителей при минимальных затратах на эксперимент, обеспечить, в то же время, пересчет результатов на реальные условия работы двигателя.
Для диффузора с неравномерным распределением параметров потока на входе коэффициент восстановления полного давления определяют зависимостью
где
- среднеимпульсное полное давление в выходном сечении диффузора (найденное осреднением с сохранением расхода, энергии и полного импульса потока);
- среднеимпульсное полное давление соответственно во входном сечении;
;
- соответственно коэффициент восстановления полного давления в диффузоре с равномерным полем скоростей на входе и при смешении потоков.
Пересчет результатов  изотермических
испытаний на натурные условия (θ>1,0) осуществляют по формуле
где
*
B1
B2
T  и T* - температуры торможения потоков соответственно во внутреннем и наружном контурах;
1
Д
С
- величины ,  для канала с внезапным расширением и ,  рассчитывают при идентичных с диффузором значениях степени расширения n=F/F, отношения площадей на входе , величины средней приведенной скорости на входе, отношения полных давлений  путем решения соответствующих систем уравнений расхода, энергии и полного импульса.
Д
С
- F и F - площади соответственно выходного и входного сечений диффузора;
С2
С1
- F и F - площади каналов соответственно наружного и внутреннего контуров на срезе смесителя;
*
*
C2
C1
- p  и p  - полные давления потоков соответственно наружного и внутреннего контуров на срезе смесителя.
СМ
В итоге по каждому основному элементу форсажной камеры ТРДДФ определены условия проведения испытаний при пониженных уровнях температур и разработаны способы пересчета результатов на реальные условия работы двигателя.
Учет влияния различия температур потоков в контурах на потери полного давления в элементах форсажной камеры по приведенным зависимостям позволяет систематизировать и сравнивать результаты испытаний форсажных камер, получаемых при различных значениях входных температур потоков в контурах.
Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи:
СМ
- снижены время и стоимость газодинамических натурных и модельных испытаний ФК ТРДДФ за счет их проведения при пониженных уровнях входных температур потоков во внутреннем и наружном контурах вплоть до одинаковых значений;
- создан достоверный способ учета влияния температурной неравномерности потоков в контурах ФК турбореактивного двухконтурного двигателя, позволяющий пересчитывать результаты стендовых испытаний, полученные при пониженных входных температурах, на реальные условия работы.
Настоящее изобретение поясняется описанием примерной конструкции ФК и способа ее испытаний со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг.1-5.
СМ
На фиг.1 изображены продольный разрез стендовых воздуховодов, форсажной камеры ТРДДФ с указанием сечений установки датчиков для измерения термодинамических параметров;
на фиг.2 - разрез В-В фиг.1 по трактам стендовых воздуховодов;
на фиг.3 - разрез С-С фиг.1 по срезу смесителя;
на фиг.4 - разрез Д-Д фиг.1 по срезу внутреннего обтекателя и выходу из дифузора;
на фиг.5 - разрез Ф-Ф фиг.1 перед соплом.
Схемы расположения датчиков на фиг.2-5 показаны со стороны среза сопла.
СМ
Форсажная камера 1 ТРДДФ содержит (см. фиг.1) смеситель кольцевого типа 2 или лепесткового типа 3, диффузор 4, стабилизаторы пламени 5 и регулируемое сопло 6. ФК 1 присоединена к стендовым воздуховодам внутреннего 7 и наружного 8 контуров с внутренним обтекателем 9. В различных местах камеры 1 (см. фиг.1-5) установлены приемники статического давления 10, гребенки полного давления 11 и гребенки температуры торможения 12.
*
*
B2
B1
Испытания ФК по заявляемому способу проводят следующим образом. В стендовые воздуховоды внутреннего 7 и наружного 8 контуров подают воздух одинаковой пониженной температуры и устанавливают величину  - отношения среднего полного давления p  в наружном контуре к среднему полному давлению p  во внутреннем контуре, соответствующую заданному значению для реального двигателя. В результате расходы воздуха и физические скорости потоков в контурах 7 и 8 не будут соответствовать условиям реального двигателя. Числа Рейнольдса должны находиться в автомодельной области. Изменяя площадь сопла 6, добиваются критического режима истечения из него, чем обеспечивается постоянное значение среднемиделевой приведенной скорости в камере 1. Измеряя поля полного давления потока на входе и выходе исследуемого участка (см. фиг.1-5) проточного тракта (смесителя 3, диффузора 4 или стабилизаторов пламени 5 и камеры 1 в целом), выполняют процедуры их осреднения, находят коэффициенты восстановления полного давления в соответствующем элементе форсажной камеры 1. Пересчет результатов по потерям на реальные условия работы двигателя для исследуемого участка и камеры 1 в целом осуществляют по указанным зависимостям.
В результате в комплексе решена задача понижения стоимости газодинамических модельных и натурных испытаний форсажных камер двухконтурных турбореактивных двигателей, определены условия проведения таких испытаний при пониженных уровнях температур потоков в контурах, создан способ пересчета результатов на реальные условия работы двигателя.
Подача на вход воздуховодов внутреннего и наружного контуров ФК воздуха одинаковой пониженной температуры позволяет уменьшить стоимость самих испытаний, упростить эксперимент, снизить требования к материалам модели и технологическим системам стенда, повысить уровень безопасности испытаний.
Измерение величины полного давления потока на входе и выходе исследуемого участка проточного тракта камеры в целом и по элементам (смесителю, диффузору или стабилизатору пламени) позволяет определить потери в каждом элементе камеры или камере в целом и таким образом повысить надежность получаемых результатов.
Моделирование величины отношения полных давлений потоков в контурах в качестве характеристики входной неравномерности обеспечивает корректность применения способа пересчета получаемых результатов на реальные условия работы двигателя.
Учет влияния различия температур потоков в контурах на потери полного давления в элементах форсажной камеры по приведенным зависимостям позволяет систематизировать и сравнивать результаты испытаний различных форсажных камер, получаемых при различных значениях входных температур потоков в контурах.