Способ испытаний газогенератора турбореактивного двигателя на отсутствие автоколебаний рабочих лопаток компрессора высокого давления Российский патент 2025 года по МПК G01M15/14 F01D21/00 

Изобретение относится к области испытаний авиационных двигателей, в частности к способам испытаний газогенератора турбореактивного двигателя на отсутствие автоколебаний рабочих лопаток компрессора высокого давления, и может быть использовано при стендовых испытаниях газогенераторов турбореактивных двухконтурных и турбореактивных одноконтурных двухвальных двигателей при проверке на отсутствие автоколебаний «срывного» типа в рабочих лопатках осевого компрессора высокого давления в составе газогенератора.

Известен способ испытания авиационного двигателя при проверке на отсутствие автоколебаний рабочих лопаток компрессора низкого давления, заключающийся в установке двигателя на стенд для высотных испытаний двигателя на расчетных величинах давлений и температур перед входом в двигатель, соответствующих определенной высоте полета самолета и выбранных в диапазоне максимальных нагрузок на крыло самолета и в диапазоне частот вращения компрессора от минимальных до максимальных оборотов (RU 2649171, 2018 г.). В известном техническом решении перед испытанием во второй контур двигателя устанавливают устройство, загромождающее воздушный поток и увеличивающее уровень нагрузки первой ступени компрессора низкого давления, а испытание двигателя проводят на бесфорсажном режиме с регулированием площади выходного сечения сопла, исходя из постоянства отношения давления воздуха за компрессором высокого давления к давлению газа за турбиной, соответствующего форсажному режиму двигателя. При этом тип проверяемых автоколебаний рабочих лопаток в известном техническом решении не указывается.

Известен способ стендовых испытаний авиационного двигателя по проверке на отсутствие автоколебаний рабочих лопаток вентилятора, заключающийся в проверке отсутствия автоколебаний рабочих лопаток первой ступени вентилятора двигателя, при котором в рабочем диапазоне приведенных частот вращения ротора вентилятора, соответствующего дозвуковому обтеканию потоком рабочих лопаток, измеряют полное давление на входе в двигатель перед вентилятором, полное давление за первой ступенью вентилятора в определенном угловом положении относительно осевой линии симметрии пилона, расход воздуха через вентилятор, температуру торможения потока на входе в двигатель перед вентилятором и частоту вращения ротора вентилятора, рассчитывают по измеренным значениям значение степени повышения давления первой ступени вентилятора и приведенный расход воздуха через вентилятор по определенным формулам, и сравнивают полученное значение степени повышения давления первой ступени вентилятора с назначенным по результатам предварительных испытаний данного типа двигателя верхним пороговым значением степени повышения давления первой ступени вентилятора в зависимости от величины приведенного расхода воздуха в рабочем диапазоне приведенных частот (RU 2681548, 2018 г.). В известном техническом решении размещают в канале наружного контура двигателя часть конструкции пилона подвески, и в процессе испытаний добиваются совпадения значений рассчитанной и назначенной степеней повышения давления первой ступени компрессора при неизменной величине приведенного расхода воздуха в рабочем диапазоне приведенных частот, и при указанных условиях проверяют отсутствие автоколебаний рабочих лопаток компрессора, в случае их отсутствия завершают испытания, а при наличии автоколебаний корректируют назначенное пороговое значение степени повышения давления первой ступени компрессора и повторно проверяют отсутствие автоколебаний лопаток.

В известных технических решениях вентилятор турбореактивного двухконтурного двигателя представляет собой компрессор низкого давления, или его часть, и предназначен для повышения давление воздуха, поступающего в наружный контур, или одновременно в наружный и внутренний контуры двигателя.

Поскольку газогенератор, включающий компрессор высокого давления, камеру сгорания и турбину высокого давления в известных технических решениях изолирован от каскада низкого давления двигателя, то при изменении площади выходного сечения сопла газогенераторного контура или сопла второго контура двухконтурного двигателя путем размещения различных элементов конструкции, рабочая точка на характеристике компрессора высокого давления будет перемещаться только вдоль линии рабочих режимов, а не по напорной ветке, что не позволяет использовать известные технические решения для определения наличия автоколебаний «срывного» типа в рабочих лопатках первой ступени многоступенчатого осевого компрессора высокого давления турбореактивного двухконтурного двигателя и компрессора высокого давления в составе турбореактивного одноконтурного двухвального двигателя.

Таким образом, общим существенным недостатком известных технических решений являются ограниченные технические возможности реализации способа.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в расширении технических возможностей способа проверки отсутствия автоколебаний «срывного» типа в рабочих лопатках первой ступени компрессора высокого давления.

Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, заключается в расширении технических возможностей способа стендовых испытаний газогенератора турбореактивного двигателя путем обеспечения нормируемого по запасу автоколебаний относительного изменения величины запаса по размерному коэффициенту режима в первой ступени осевого компрессора высокого давления за счет смещения рабочей точки по напорной ветке первой ступени компрессора от предельной верхней линии рабочих режимов в сторону «границы помпажа» компрессора до заданной верхней пороговой линии рабочих режимов при проверке на отсутствие автоколебаний «срывного» типа рабочих лопаток первой ступени осевого компрессора высокого давления.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа испытаний газогенератора турбореактивного двигателя на отсутствие автоколебаний рабочих лопаток компрессора высокого давления, согласно предлагаемому техническому решению размещают газогенератор на испытательном стенде, проводят испытания при заданных значениях полного давления и температуры торможения на входе в компрессор с учетом запаса по автоколебаниям, при этом измеряют полное давление за первой ступенью компрессора, расход воздуха через компрессор и частоту вращения ротора компрессора, по измеренным значениям рассчитывают степень повышения давления в первой ступени компрессора и приведенный расход воздуха, назначают верхнее пороговое значение степени повышения давления в зависимости от величины приведенного расхода воздуха в рабочем диапазоне приведенных частот, дополнительно определяют величину размерного коэффициента К_Р1 режима первой ступени компрессора по формуле:

где:

- полное давление за первой ступенью компрессора, Н/м²;

- полное давление на входе в компрессор, Н/м²;

G_В.ПР - приведенный расход воздуха через компрессор, кг/с;

π*_СТ.1 - степень повышения давления в первой ступени компрессора, назначают величину размерного коэффициента К_Р1.ВЕРХ верхнего порогового значения с учетом запаса по автоколебаниям при постоянной величине приведенной частоты вращения ротора компрессора, сравнивают между собой полученные величины коэффициентов К_Р1 и К_Р1.ВЕРХ режимов, и при К_Р1<К_Р1.ВЕРХ сообщают камеру сгорания со стендовым источником сжатого воздуха, устанавливают на выходе стендового источника сжатого воздуха давление, равное полному давлению на выходе из компрессора, осуществляют подачу сжатого воздуха в камеру сгорания генератора, повышают давление на выходе стендового источника сжатого воздуха, увеличивают расход вдуваемого в камеру сгорания газогенератора сжатого воздуха и определяют величину размерного коэффициента К_Р1 до его совпадения с заданной величиной размерного коэффициента К_Р1.ВЕРХ, и при этом условии проверяют отсутствие автоколебаний рабочих лопаток первой ступени компрессора, а в случае наличия автоколебаний проводят повторные испытания.

Существенность отличительных признаков технического решения подтверждается тем, что только совокупность всех признаков, описывающая предлагаемое техническое решение, позволяет обеспечить решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата.

Изобретение поясняется следующим подробным описанием и иллюстрациями, где:

- на фиг. 1 изображена схема реализации способа на испытательном стенде;

- на фиг. 2 показан вид Б на фиг. 1;

- на фиг. 3 изображена схема подачи сжатого воздуха в камеру сгорания;

- на фиг. 4 показана характеристика 1-й ступени компрессора высокого давления за 1-й ступенью с тремя напорными ветками, в том числе при приведенной частоте n_ПР=90% вращения ротора.

На чертежах приняты следующие обозначения:

1 - компрессор высокого давления;

2 - камера сгорания;

3 - входной трубопровод;

4 - термобарокамера;

5 - подмоторная рама;

6 - приемник статического давления;

7 - расходомерный коллектор;

8 - приемник полного давления;

9 - датчик температуры торможения;

10 - газовод;

11 - сопло;

12 - приемник полного давления на входе в первую ступень компрессора;

13 - приемник полного давления на выходе первой ступени компрессора;

14 - стендовый источник сжатого воздуха;

15 - нагнетающий трубопровод;

16 - воздуховоды;

17 - запорно-регулирующее устройство;

18 - датчик давления перед запорно-регулирующим устройством 17;

19 - датчик давления после запорно-регулирующего устройства 17;

20 - диафрагма;

21 - датчик статического давления перед диафрагмой 20;

22 - датчик перепада давления на диафрагме 20;

23 - термопара.

Способ реализуется следующим образом.

Газогенератор, включающий осевой компрессор 1 высокого давления, камеру 2 сгорания, турбину и сопло (на чертеже не показаны), сообщается с входным трубопроводом 3 и размещается на подмоторной раме 5 в термобарокамере 4. Входной трубопровод 3 включает расходомерный коллектор 7 с установленными в нем приемником 6 статического давления, приемником 8 полного давления и датчиком 9 температуры торможения. Испытательный стенд при помощи газовода 10, предназначенного для отвода струи газов от сопла 11 в наземную шахту или к эксгаустерным машинам (на чертеже не показаны), сообщен с термобарокамерой 4 (см. фиг. 1). Осевой компрессор 1 высокого давления снабжен приемником 12 полного давления, установленным на входе 1-й ступени, и приемником 13 полного давления, установленным на выходе из 1-й ступени (см. фиг. 2). Кроме того, испытательный стенд содержит источник 14 сжатого воздуха, сообщенный через нагнетающий трубопровод 15 и воздуховоды 16 с камерой 2 сгорания. При этом нагнетающий трубопровод 15 содержит установленные в нем запорно-регулирующее устройство 17, датчик 18 давления, расположенный перед запорно-регулирующим устройством 17 и датчик 19 давления, расположенный после запорно-регулирующего устройства 17, диафрагму 20, датчик 21 статического давления перед диафрагмой 20, датчик 22 перепада давлений на диафрагме 20, и термопару 23 (см. фиг. 3). После запуска газогенератора устанавливают режим теплового равновесного состояния газогенератора и режимные параметры перед входом в первую ступень осевого компрессора 1 высокого давления, соответствующие определенной высоте полета самолета диапазону максимальных нагрузок на крыло самолета, которые соответствуют «срывному» типу автоколебаний и проводят испытания при заданных значениях полного давления и температуры торможения на входе в осевой компрессор 1 высокого давления с учетом запаса по автоколебаниям. Приемниками 6 статического давления и приемником 8 полного давления, и датчиком 9 температуры торможения в расходомер-ном коллекторе 7 измеряют статическое и полное давление и температуру торможения потока, с помощью которых определяют расход воздуха через осевой компрессор 1 высокого давления, приемниками 12 и 13 полного давления измеряют полное давление соответственно на входе и на выходе первой ступени компрессора, а также при помощи тахометра частоту n вращения ротора (на чертеже не показаны). С учетом измеренных значений рассчитывают приведенную частоту n_ПР вращения ротора осевого компрессора 1 высокого давления и приведенный расход G_В.ПР воздуха через осевой компрессор 1 высокого давления по известным формулам для приведения параметров:

где:

- заданное стандартное значение температуры для данного типа двигателя при максимальном режиме работы в стандартных условиях, К;

- температура торможения потока на входе в первую ступень компрессора, К;

G_B - измеренный расход воздуха через компрессор, кг/с;

- полное давление на входе в компрессор, Н/м².

Определяют величину размерного коэффициента К_Р1 режима первой ступени компрессора по формуле:

где:

- полное давление за первой ступенью компрессора, Н/м²;

G_В.ПР - приведенный расход воздуха через компрессор, кг/с;

π*_СТ.1 - степень повышения давления в первой ступени компрессора.

Назначают величину размерного коэффициента К_Р1.ВЕРХ верхнего порогового значения, соответствующего положению на верхней предельной линии рабочих режимов по отношению к заданной предельной линии рабочих режимов на первой ступени компрессора (см фиг. 4). Затем сравнивают между собой полученные величины коэффициентов К_Р1 и К_Р1.ВЕРХ режимов и при значениях К_Р1<К_Р1.ВЕРХ через нагнетающий трубопровод 15 и воздуховоды 16 сообщают камеру 2 сгорания с стендовым источником 14 сжатого воздуха. При этом стендовым источником 14 сжатого воздуха и датчиками 17 и 18 давления устанавливают на выходе стендового источника 14 сжатого воздуха давление, равное полному давлению на выходе из осевого компрессора 1 высокого давления и осуществляют с помощью запорно-регулирующего устройства 17 подачу сжатого воздуха в камеру 2 сгорания. Повышают давление на выходе стендового источника 14 сжатого воздуха и увеличивают расход вдуваемого в камеру 2 сгорания сжатого воздуха с помощью стендового источника 14 сжатого воздуха и запорно-регулирующего устройства 17. Контролируют давление и температуру торможения потока сжатого воздуха на диафрагме 20 при помощи соответствующих датчика 21 статического давления, датчика 22 перепада давления, и термопары 23. При этом в процессе вдувания сжатого воздуха в камеру сгорания 2 измеряют полное давление перед первой ступенью компрессора 1 высокого давления, и полное давление за первой ступенью компрессора 1 высокого давления, определяют измеренный расход G_В воздуха и приведенный расход G_В.ПР воздуха на входе в первую ступень компрессора 1 высокого давления, определяют температуру торможения на входе в первую ступень, которая принимается равной измеренной температуре торможения в расходомерном коллекторе 7, измеряют и определяют приведенную частоту n_ПР вращения ротора компрессора 1 высокого давления и определяют величину размерного коэффициента К_Р1 при n_ПР=const. В процессе испытания определяют перемещение рабочей точки на напорной ветке характеристики первой ступени осевого компрессора высокого давления в сторону «границы помпажа». Процесс осуществляют до совпадения величины размерного коэффициента режима К_Р1 с заданной величиной размерного коэффициента K_P1.ВЕРХ и при этом условии проверяют отсутствие автоколебаний рабочих лопаток первой ступени осевого компрессора 1 высокого давления. В случае наличия автоколебаний проводят повторные испытания, при которых корректируют заданное значение размерного коэффициента режима К_Р1.ВЕРХ в сторону его уменьшения при постоянной величине приведенной частоты n_ПР вращения ротора осевого компрессора 1 высокого давления для определения фактической верхней пороговой линии рабочих режимов и повторно осуществляют проверку отсутствия автоколебаний рабочих лопаток первой ступени.

Таким образом, проведение испытаний при заданных значениях полного давления и температуры торможения на входе в компрессор с учетом запаса по автоколебаниям, измерение полного давления за первой ступенью компрессора, расхода воздуха через компрессор и частоты вращения ротора компрессора, расчет по измеренным значениям степени повышения давления в первой ступени компрессора и приведенного расхода воздуха, назначение верхнего порогового значения степени повышения давления в зависимости от величины приведенного расхода воздуха в рабочем диапазоне приведенных частот, дополнительное определение величины размерного коэффициента режима первой ступени компрессора по определенной формуле, назначение величины размерного коэффициента верхнего порогового значения с учетом запаса по автоколебаниям при постоянной величине приведенной частоты вращения ротора компрессора, сравнивнение между собой полученных величин коэффициентов режимов, а при их неравенстве сообщение камеры сгорания с стендовым источником сжатого воздуха, установление на выходе стендового источника сжатого воздуха давления, равного полному давлению на выходе из компрессора, осуществление подачи сжатого воздуха в камеру сгорания генератора, повышение давления на выходе стендового источника сжатого воздуха, увеличение расхода вдуваемого в камеру сгорания газогенератора сжатого воздуха и определение величины размерного коэффициента до его совпадения с заданной предельной величиной размерного коэффициента, и проверка при этом условии отсутствия автоколебаний рабочих лопаток первой ступени компрессора, а в случае наличия автоколебаний проведение повторных испытаний обеспечивает решение поставленной проблемы с достижением заявленного технического результата расширения технических возможностей способа путем обеспечения нормируемого по запасу автоколебаний относительного изменения величины запаса по размерному коэффициенту режима в первой ступени осевого компрессора высокого давления путем смещения рабочей точки по напорной ветке первой ступени компрессора от предельной верхней линии рабочих режимов в сторону «границы помпажа» компрессора до заданной верхней пороговой линии рабочих режимов.

Изобретение относится к области испытаний авиационных двигателей, в частности газогенератора турбореактивного двигателя на отсутствие автоколебаний рабочих лопаток компрессора высокого давления, и может быть использовано при стендовых испытаниях при проверке на отсутствие автоколебаний «срывного» типа в рабочих лопатках компрессора высокого давления. Сущность изобретения заключается в измерении полного давления за первой ступенью компрессора, расхода воздуха через компрессор и частоты вращения ротора, расчете по измеренным значениям степени повышения давления в первой ступени и приведенного расхода воздуха, назначении верхнего порогового значения степени повышения давления в зависимости от величины приведенного расхода воздуха в рабочем диапазоне приведенных частот и определении величины размерного коэффициента К_P1 режима первой ступени компрессора по заданной формуле. Далее назначают величину размерного коэффициента K_P1.ВЕРХ верхнего порогового значения с учетом запаса по автоколебаниям при постоянной величине приведенной частоты вращения ротора компрессора, сравнивают между собой полученные величины коэффициентов К_P1 и К_P1.ВЕРХ режимов. При K_P1<K_P1.ВЕРХ сообщают камеру сгорания с источником сжатого воздуха, устанавливают на выходе источника давление, равное полному давлению на выходе из компрессора, осуществляют подачу сжатого воздуха в камеру сгорания генератора, повышают давление на выходе стендового источника сжатого воздуха, увеличивают расход вдуваемого в камеру сгорания газогенератора сжатого воздуха и определяют величину размерного коэффициента K_P1 до его совпадения с заданной величиной размерного коэффициента K_P1.ВЕРХ. При этом условии проверяют отсутствие автоколебаний рабочих лопаток первой ступени компрессора, а в случае наличия автоколебаний проводят повторные испытания. Технический результат заключается в расширении технических возможностей способа испытаний газогенератора турбореактивного двигателя. 4 ил.

Способ испытаний газогенератора турбореактивного двигателя на отсутствие автоколебаний рабочих лопаток компрессора высокого давления, заключающийся в том, что размещают газогенератор на испытательном стенде, проводят испытания при заданных значениях полного давления и температуры торможения на входе в компрессор с учетом запаса по автоколебаниям, при этом измеряют полное давление за первой ступенью компрессора, расход воздуха через компрессор и частоту вращения ротора компрессора, по измеренным значениям рассчитывают степень повышения давления в первой ступени компрессора и приведенный расход воздуха, назначают верхнее пороговое значение степени повышения давления в зависимости от величины приведенного расхода воздуха в рабочем диапазоне приведенных частот, дополнительно определяют величину размерного коэффициента К_Р1 режима первой ступени компрессора по формуле:

где:

- полное давление за первой ступенью компрессора, Н/м²;

- полное давление на входе в компрессор, Н/м²;

G_B.ПР - приведенный расход воздуха через компрессор, кг/с;

π*_СТ.1 - степень повышения давления в первой ступени компрессора, назначают величину размерного коэффициента K_P1.ВЕРХ верхнего порогового значения с учетом запаса по автоколебаниям при постоянной величине приведенной частоты вращения ротора компрессора, сравнивают между собой полученные величины коэффициентов К_Р1 и К_Р1.ВЕРХ режимов, и при К_Р1<К_Р1.ВЕРХ сообщают камеру сгорания со стендовым источником сжатого воздуха, устанавливают на выходе стендового источника сжатого воздуха давление, равное полному давлению на выходе из компрессора, осуществляют подачу сжатого воздуха в камеру сгорания генератора, повышают давление на выходе стендового источника сжатого воздуха, увеличивают расход вдуваемого в камеру сгорания газогенератора сжатого воздуха и определяют величину размерного коэффициента К_Р1 до его совпадения с заданной величиной размерного коэффициента К_Р1.ВЕРХ, и при этом условии проверяют отсутствие автоколебаний рабочих лопаток первой ступени компрессора, а в случае наличия автоколебаний проводят повторные испытания.