Газодинамические функции

ИСПЫТАНИЯ

ВОЗДУШНО-

РЕАКТИВНЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ

 

 

Под общей редакции А.Я. Черкеза

ББК 39.55-07я 73

И88

УДК 621.45.001.4(075.8)

 

Авторы: А.Я. Черкез, И.И. Онищик, В.А. Овсянников, Е.М. Таран, В. Б. Рутовский

 

Рецензенты: кафедра "Теория двигателей летательных аппаратов" КуАИ и В. К. Кобченко

 

И 88 Испытания воздушно-реактивных двигателей: Учебник для вузов по специальности "Авиационные двигатели и энергетические установки" / А.Я. Черкез, И.И. Онищик, Е.М. Таран и др.; Под общей ред. А.Я. Черкеза. - М.: Машиностроение, 1992. -304 с.; ил.

 

ISBN 5-217-01334-6

 

Изложены виды испытаний воздушно-реактивных двигателей и их узлов. Рассмотрены методы проверки ресурса и надежности определения характеристик. шума двигателя, содержания вредных веществ в выхлопных газах. Дана характеристика методов измерений, применяемых при экспериментальном определении параметров двигателя.

 

2705140400-109

И ______________________ 109-92ББК 39 55-07я 73

038(01)-92

 

ISBN 5-217-01334-6 С А.Я. Черкез, И.И. Онищик

и др.. 1992

ПРЕДИСЛОВИЕ

Усложнение схем, повышение параметров, расширение диапазона эксплуатационных условий, ужесточение требований к надежности и ресурсу двигателей привели к значительному увеличению объема и сложности испытаний, проводящихся при создании, доводке и эксплуатации воздушно-реактивных двигателей (ВРД).

Существенно повысились требования к снижению вредного воздействия работы двигателей на окружающую среду, в несколько раз возросла стоимость опытных образцов двигателей и проведения их испытаний. Все это потребовало внедрения новых средств и методов испытаний, стендов и установок, информационно-измерительной аппаратуры, обеспечивающих увеличение объема и точности получаемой информации, приближение испытаний к реальным условиям эксплуатации, снижение длительности испытаний.

В данном учебнике авторы стремились отразить прежде всего новые тенденции развития испытаний ВРД, менее подробно рассматривая вопросы, достаточно полно освещенные в учебнике Э.Л. Солохина «Испытания авиационных воздушно-реактивных двигателей» (1975 г.).

Дисциплина «Испытания ВРД» является комплексной, в значительной степени завершающей инженерное образование студента-двигателиста, поэтому при изложении материала учебника предполагается знание ряда других дисциплин, начиная с математики и физики и кончая специальными дисциплинами, такими, как газовая динамика, теория ВРД, динамика и прочность и др.

Введение и гл. 1 написаны А.Я. Черкезом; разд. 2.2 и 2.3 - И.И. Онищиком и А.Я. Черкезом; гл. 3 - В.А. Овсянниковым и А.Я. Черкезом; разд. 2.1, 2.4, гл. 6, разд. 7.1 и гл. 8 (кроме разд. 8.4), - И.И. Онищиком; гл. 4 - В.Б. Рутовским; гл. 5 -Е.М. Тараном; разд. 7.2 - В.А. Овсянниковым и В.Б. Рутовским; разд. 8.4 и гл. 9 - В.А. Овсянниковым; предметный указатель составлен В.А. Овсянниковым.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

V_п - скорость полета, м/с G_г - массовый расход газа, кг/с

Н - высота полета, м (км) G_{г –} массовый расход топлива,

М - число Маха кг/с

l- приведенная скорость L -удельная работа, Дж/кг

a -скорость звука, м/с; h - КПД

виброускорение, мм/с² h_г - коэффициент полноты

с - осевая скорость движения сгорания топлива

воздуха или газа м/с r - плотность, кг/м

u – окружная скорость, м/с i - энтальпия. Дж/кг

p – давление, Па (кПа) R – газовая постоянная, Дж/(кг^.К)

Т – температура, К k – показатель адиабаты;

Р – тяга двигателя, Н число факторов

N – мощность, Вт (кВт); Ср – удельная теплоемкость,

число опытов Дж/ (кг^.К)

Р_уд - удельная тяга двигателя, s - коэффициент сохранения Н^.с/кг полного давления

C_уд - удельный расход топлива, a - коэффициент избытка воздуха кг/(Н^.с) в камере сгорания; «звездное» p*_V- степень повышения плечо

давления во входном DК_у - запас устойчивости во устройстве компрессора

p*_к - степень повышения F - площадь проходного сечения, давления в компрессоре м₂

p*_т - степень понижения Н_u -низшая удельная теплота

давления в турбине сгорания топлива, Дж/кг

p*_с - степень понижения m_кр - коэффициент в уравнении

давления в реактивном сопле расхода (кг^.К/Дж)^0,5

n - частота вращения, об/мин; m - динамический коэффициент число наблюдений вязкости, Н^.с/м²; коэффициент

m - степень двухконтурности массового расхода

двигателя Re – критерий Рейнольдса

G_в - массовый расход воздуха, F(x) -функция распределения

кг/с p(x) - плотность вероятностей

s(x) - среднее квадратичное s², S² - дисперсия

отклонение b - коэффициент регрессии

g - доверительная вероятность j - телесный угол, рад

w_i - нормируемый параметр Х – значение фактора в

выброса i-го газообразного размерностях физических

компонента, г/Н величин

I_i - индекс выброса вещества J- интервал варьирования

i, г/кг фактора; интенсивность (сила)

D - параметр выброса сажи звука. Вт/м²

L_W - уровень звуковой L - уровень звукового давления, мощности, дБ дБ

W - звуковая мощность, Вт f - частота, Гц

у - отклик t - время, с, ч

x - фактор L₀ - стехиометрический

коэффициент

Индексы

н - невозмущенный поток; окружающая среда

в - сечение за входным устройством

к - сечение за компрессором; компрессор

г - сечение за камерой сгорания; газ

т - сечение на выходе нз турбины; турбина: топливо

ф - сечение за форсажной камерой

с - выходное сечение сопла; сопло

пр - приведенные параметры

кр - критические параметры

с.а - сопловой аппарат турбины

* - параметры заторможенного потока

Газодинамические функции

p(l)=p/p*; t(l)=T/T*; y(l)=q(l)/p(l);

e(l)=r/r*; f(l)=(G_c+pF)/(p*F);

q(l)=(rc)/(r _удc_уд)ж z(l)=l+1/l.

ВВЕДЕНИЕ

В комплексе разнообразных задач, которые приходится решать при создании, производстве и эксплуатации авиационных двигателей, большое место принадлежит экспериментальным работам - испытаниям двигателя и его элементов.

Уже на начальной стадии разработки нового двигателя, после выбора типа, конструктивной схемы и некоторых Основных параметров рабочего процесса, необходимо располагать надежными данными о реально достижимых КПД узлов и элементов проточной части, протекании их характеристик, прочностных показателях применяемых материалов. Без этого газодинамические и прочностные расчеты проектируемого двигателя будут недостаточно обоснованными, что неизбежно проявится в ходе дальнейшей работы.

Получение, систематизация и анализ указанных данных - создание научно-технического задела - ведутся задолго до проектирований конкретного двигателя и являются важной частью всего процесса развития авиационной науки.

После изготовления первых экземпляров создаваемого двигателя начинается наиболее трудный и длительный этап работы - газодинамическая и прочностная доводка, целью которой является обеспечение требуемых (заявленных) данных двигателя во всех высотно-скоростных условиях, прочности и надежности в течение установленного ресурса.

Основное содержание процесса доводки составляют многочисленные и разнообразные испытания двигателя, а также отдельных его узлов. В этих испытаниях определяются реальные характеристики двигателя и его систем, оптимизируются режимы совместной работы узлов, выясняются причины отклонений от проектных данных, проверяется эффективность мероприятий по устранению дефектов и улучшению основных показателей двигателя по тяге (мощности), экономичности, устойчивости, надежности.

В процессе доводки в конструкцию вносится множество изменений и все они в обязательном порядке должны быть проверены экспериментально какими бы правильными и очевидными ни казались.

После проведения доводочных работ и выполнения обширного перечня специальных стендовых и летных испытаний двигатель предъявляется и государственные испытания - официальную приемку заказчиком.

В процессе серийного производства каждый экземпляр двигателя проходит кратковременные испытания - сдаточные и контрольные - с целью качества изготовления и сборки, а также отладки агрегатов и систем.

Помимо кратковременных испытаний периодически проводится выборочная проверка двигателя ресурсными испытаниями с оценкой соответствия его по основным данным, устойчивости, надежности образцу государственных испытаний.

Кратковременные и периодические ресурсные (комиссионные) испытания серийной продукции обеспечивают стабильность производства и предотвращают возможность постепенного снижения качества из-за накопления небольших отклонений в производстве.

В ходе серийного производства и эксплуатации двигателей на летательном аппарате (ЛА) выясняется целесообразность введения некоторых конструктивных или технологических изменений в принятый эталон с целью улучшения основных данных и надежности, увеличения ресурса, устранения или предотвращения дефектов, повышения технологичности производства, испытания, обслуживания. Для экспериментальной проверки этих мероприятий периодически проводят технологические испытания.

Таким образом, весь жизненный цикл авиационного двигателя (от разработки до широкой эксплуатации) сопровождается проведением испытаний.

Следует заметить, что, несмотря на серьезное развитие теории и методов газодинамического и прочностного расчета двигателя и его узлов, а также на применение в расчетах все более сложных математических моделей, использование возможностей современных ЭВМ, объем испытаний, требующихся при создании двигателя, не только не уменьшается, но с годами непрерывно растет.

Это, в первую очередь, связано с повышением требований к удельным и весовым параметрам двигателя, диапазону эксплуатационных условий, надежности и ресурсу. Даже самые совершенные математические модели, используемые в расчетах ВРД, базируются на упрощенных одномерных схемах течения и недостаточно полно учитывают взаимодействие элементов, влияние вторичных факторов, неравномерность и нестационарность потоков, тепловое состояние элементов конструкции. В расчетные формулы входит множество эмпирических коэффициентов и. поправок, иногда лишь приближенно применимых в расчете характеристик нового двигателя, отличающегося конструкцией, параметрами процесса, режимами работы. Поэтому все расчетные результаты должны быть проверены экспериментально и реально получаемые параметры и характеристики обычно в большей или меньшей степени отличаются от расчетных.

Точно так же в расчетах прочности и долговечности деталей и узлов двигателя приходится пользоваться упрощенными представлениями о характере и величине действующих в системе двигателя нагрузок, температурных полей, газовых сил. Надежная работа двигателя в течение ресурса, составляющего для многих современных двигателей тысячи часов, может быть достигнута и .подтверждена только путем .различных испытаний с выявлением и устранением дефектов.

Еще одна характерная особенность авиационных двигателей, приводящая к увеличению объема экспериментов, состоит в том, что двигатель обычно закладывается на пределе существующих возможностей по КПД узлов, прочности материалов, весовым характеристикам и часто даже с учетом перспективы их развития. Только так может быть обеспечена конкурентоспособность двигателя к моменту выхода в эксплуатацию. Даже небольшие несоответствия в расчетных и реальных показателях эффективности узлов и прочности деталей приводят к невыполнению технических требований и, значит, к необходимости тщательной экспериментальной отработки как рабочего процесса, так и прочности двигателя.

Объектом испытаний может быть двигатель в целом или его отдельные узлы и системы - это определяется задачей испытаний. В процессе доводки на испытания могут поступать двигатели и агрегаты, еще сильно отличающиеся от образцов, которые впоследствии будут приняты для производства и эксплуатации. Однако на любой стадии доводки испытываемый объект должен быть работоспособным на намеченных режимах в течение предполагаемого времени испытаний и обеспечивать воспроизводимость результатов, т.е. сохранение (с точностью до случайных ошибок измерений) параметров при повторном выходе на тот же режим. В зависимости от цели испытания экспериментальный объект в большей или меньшей степени препарируется, т.е. оборудуется дополнительными, не входящими в его штатную конструкцию средствами измерений, в первую очередь, приемниками полных и статических давлений и температуры потока в различных сечениях проточной части и в полостях.

В специальных испытаниях обеспечивается измерение вибраций агрегатов и коммуникаций; переменных напряжений в лопатках, дисках, трубопроводах; зазоров в лопаточных венцах и лабиринтных уплотнениях; температуры корпусов, дисков, лопаток.

Увеличивая объем измерений, можно получить дополнительную информацию и в одном и том же испытании выполнить несколько различных программ. Однако не следует упускать из виду, что установка дополнительных датчиков в той или иной мере влияет на параметры потока, меняет гидравлические сопротивления, может ослабить детали, т.е. вызвать эффекты, не характерные для объекта в штатной компоновке. На каждом этапе работы в зависимости от задачи испытаний и требований к достоверности результатов надо определить рациональный объем измерений. И, конечно, заслуживает большого внимания использование микроминиатюрных датчиков и различных бесконтактных методов измерений.

Лишь немногие величины, интересующие экспериментатора, являются результатами непосредственного измерения в ходе испытаний. Большая часть результатов измерений подлежит расчетной обработке - приведению к заданным или стандартным атмосферным условиям, определению характерных безразмерных параметров, вычислению скорости, расхода. Вычислением определяются такие важные параметры, как среднемассовая температура газа перед турбиной, расход газа через турбину двухконтурного двигателя, коэффициент избытка воздуха и т.п.

Современные испытательные стенды, как правило, оснащены системой автоматизированной обработки результатов измерений в темпе эксперимента с выдачей информации на дисплей, установленный на пульте управления, а также на печать.

Экспериментальные стенды, на которых проводятся испытания двигателей, компрессоров, турбин, камер сгорания, представляют собой сложные сооружения, оснащенные комплексом энергетического оборудования, топливопитания, газовоздушными коммуникациями, системами управления, контроля, измерений. Особо сложными и дорогими являются стенды для испытаний двигателя и его элементов в высотно-скоростных условиях.

Для того чтобы на этих стендах имитировать условия работы двигателя при полете с большой сверхзвуковой скоростью и на большой высоте, создаются мощные, в сотни тысяч киловатт, компрессорные станции, способные подать на вход в двигатель сжатый и нагретый (или охлажденный и осушенный) воздух с секундным расходом в сотни килограмм, а на выходе путем отсоса горячих выхлопных газов поддерживать давление, соответствующее предельным высотам полета.

Приведение испытаний двигателей и их узлов сопряжено с очень большими затратами. Эксплуатация дорогостоящего оборудования стендов, расходование электроэнергии и топлива, работа высококвалифицированного персонала, обслуживающего основное и вспомогательное оборудование, и. наконец, выработка ресурса опытного изделия - все это приводит к тому, что выполнение одной экспериментальной программы обходится в десятки, а иногда и в сотни тысяч рублей.

Поскольку избежать этих затрат невозможно, надо уделять особое внимание повышению информативности испытаний, т.е. увеличению объема, точности, достоверности результатов и сведений, получаемых в результате проведения каждой экспериментальной работы.

Наряду с использованием более совершенного оборудования и измерительной техники, автоматизацией проведения и обработки испытаний, комплексированием программ в последнее время в практику испытаний двигателей внедряется математическое планирование эксперимента. Применение методов теории планирования эксперимента позволяет обоснованно назначить число и условия проведения опытов и таким образом уменьшить объем испытаний, требующийся для получения заданной информации; повысить точность результатов; облегчить оптимизацию характеристик объекта; обобщить полученные данные.

Однако при всей важности технического оснащения все же непременным условием качественного проведения эксперимента, достоверности его результатов, надежности сделанных выводов являются высокая квалификация экспериментатора и четкое понимание им существа исследуемых процессов и явлений.

Глава 1