Двигатель на современном самолете эксплуатируется в различных климатических условиях, характеризуемых климатом той или иной зоны земного шара. Существует следующая классификация основных климатических зон: заполярная; умеренная; пустынь и степей; тропиков и субтропиков.
Наибольшее влияние оказывает температура воздуха на входе в двигатель. При работе на одном и том же режиме температура воздуха на входе в двигатель оказывает существенное влияние на температуру газа в тракте двигателя и частоту вращения роторов, а, следовательно, на температуру и напряженность деталей.
Скоростными характеристиками двигателя называют зависимости его тяги и удельного расхода топлива от числа М полета (скорости полета) на заданном режиме работы при неизменной высоте и принятой для двигателя программе регулирования.
При наборе высоты двигатель оказывается в различных условиях работы. Связано это с изменение по высоте плотности воздуха, температуры, а также скоростью полёта самого летательного аппарата (ЛА). Изменение этих параметров может привести к увеличению расхода топлива, изменению расхода воздуха и к неравномерности потока на входе в двигатель, что в свою очередь может привести к помпажу компрессора.
Для анализа зависимости параметров двигателя от скорости полёта при постоянной частоте вращения ротора, с помощью программы DVIGwT строятся высотно-скоростные характеристики (ВСХ). Пример расчетной зависимости приведен на рисунке 1.
На основе полученных графиков можно сделать вывод, что при увеличении скорости полёта на всех рассматриваемых высотах тяга двигателя, расход воздуха на входе в двигатель и удельная тяга уменьшаются, а удельный расход топлива увеличивается.
По аналогичной технологии был произведен расчет влияния различных факторов среды на работу ТРДДФ 4-го поколения. Расчёт был проведен при САУ, Н=0, М=0. Оценка проводилась при постоянных оборотах. Основные данные расчетов приведены на рисунках 2, 3.
Рис. 1. Расчетная зависимость удельной тяги от скорости полёта и высоты
Рис. 2. Зависимость удельного расхода топлива от температуры на входе в двигатель
Рис. 3. Зависимость тяги двигателя, удельной тяги и расхода воздуха от температуры на входе в двигатель
Графики наглядно показывают, что при увеличении температуры на входе в двигатель, тяга двигателя значительно падает, также уменьшается расход воздуха через двигатель и удельная тяга. Так как тяга двигателя сильно падает, то удельный расход топлива увеличивается. Влажность влияет на параметры двигателя значительно меньше. Так при увеличении влажности воздуха на входе в двигатель расход воздуха практически постоянен, удельная тяга и тяга двигателя заметно падают, что в свою очередь приводит к увеличению удельного расхода топлива.
В рамках специальных испытаний возможно провести экспериментальную оценку влияния влаги в воздухе на входе в двигатель на условие его работы.
Различают несколько видов осадков: морось, умеренный обложной дождь, сильный обложной дождь, ливень, тропические осадки
Для испытаний подготовлена специальная установка, созданная авторами. Схема установки приведена на рисунке 4.
Установка для подачи воды включает в себя: двигатель; металлический баллон с водой; баллон со сжатым воздухом; воздушный редуктор; манометр; коллектор; соединительные шланги.
В качестве испытываемого двигателя взят турбостартер ТС-21. Он представляет собой малоразмерный ГТД, состоящий из центробежного компрессора, кольцевой КС, одноступенчатой свободной турбины и планетарного редуктора. Он предназначен для раскрутки ротора основного двигателя на земле при запуске, холодной прокрутке, консервации и расконсервации двигателя. Данные двигатель позволяет при минимальных затратах оценить все необходимые пареметры.
Рис. 4. Гидравлическая схема установки для подачи воды на вход в двигатель: 1 — турбостартер ТС-21; 2 — коллектор; 3 — металлический баллон с водой; 4 — манометр; 5 — воздушный редуктор; 6 — баллон со сжатым воздухом
Коллектор представляет собой загнутый в виде буквы «О» пластмассовый шланг с одним штуцером. В шланге предусмотрены два отверстия, расположенных друг напротив друга. Это позволяет обеспечить равномерность подачи воды. Внутренний диаметр коллектора 140 мм, внешний 160 мм. Диаметр отверстий 1 мм.
Металлический баллон имеет два штуцера, к которым подсоединяются шланг для подачи воздуха и шланга для отвода воды. Также имеется горловина для заливки воды в баллон. Допустимое давление в баллоне 21 кгс/см2, что в несколько раз превышает давление, необходимое для успешного проведения эксперимента.
Принцип работы установки заключается в следующем. Воздух из баллона со сжатым воздухом проходит через редуктор, где давление снижается до необходимых 4,8 кгс/см2. Затем поступает в металлический баллон, наполненный водой, повышая давление над поверхностью воды. Под действием этого давления вода через соединительные шланги попадает в коллектор, расположенный возле двигателя и, проходя через отверстия, подается на вход в двигатель в виде мелких капель.
Для определения зависимости расхода воды через коллектор от давления в баллон построена проливочная характеристика, представленная на графике 5
Полученные данные для её построения приведены в таблице 1
Таблица 1
Данные для проливочной характеристики
|
Давление, МПа |
Расход воды через коллектор, мл/с |
|
0,157 |
3,5 |
|
0,314 |
5,5 |
|
0,471 |
6,5 |
|
0,628 |
8,5 |
Рис. 5. Проливочная характеристика блока форсунок на коллекторе
Для исключения виброгорения в КС количество пара попадающего в КС не должно превышать 50 % от количества топлива, поступающего в КС [2]. В эксперименте количество пара не превышает 30 % от количества поступающего топлива.
Результаты испытаний будут формироваться по данным АИС измеряющей основные параметры работы двигателя тягу, расход топлива, температуру за компрессором и турбиной, что позволяет рассчитать удельные параметры и КПД установки.
Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ МК-4746.2014.8
Литература:
1. Газотурбинные двигатели. / А. А. Иноземцев, В. JI. Сандрацкий. Пермь: ОАО «Авиадвигатель», 2006.
2. Раушенбах Б. В. Вибрационное горение / Б. В. Раушенбах. — М.: Физамтгиз, 1961. — 500 с.
