Исследование влияния эксплуатационных факторов на динамические характеристики ТРДД при приемистости Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.735.083.06:075.8

А. В. Попов

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРДД ПРИ ПРИЕМИСТОСТИ

Аннотация: Представлены качественные и количественные показатели оценки изменения динамических свойств двухконтурного турбореактивного двигателя при проведении натурного эксперимента с изменением технического состояния элементов конструкции проточной части газодинамического стенда на базе Аи-25.

Опыт эксплуатации показывает, что газодинамическая устойчивость (ГДУ) компрессоров авиационных ГТД является одним из наиболее важных условий, определяющих уровень безопасности полетов. В настоящее время, с учетом специфики эксплуатации и конструктивных особенностей ряда двигателей, характерна такая неисправность, как снижение запаса газодинамической устойчивости. Снижение газодинамической устойчивости связано в первую очередь как с изменением геометрии элементов узлов проточной части, так и двигателя в целом. Изменение геометрии проточной части может быть связано с конструктивными и производственными факторами, наличием эксплуатационных факторов, а именно: износ спецслоя, погнутости, забоины, разбандажирование лопаток, отложение на лопатках, поверхности ротора и статора, коррозионный или эрозионный износ. Анализ статистических данных ТРДД Д-36 и Д-18Т ЗМКБ "Прогресс" указывает на то, что 70% от общего числа возникновения помпажа двигателя приходится на потерю газодинамической устойчивости на переходных процессах. Согласно [1] порядка 84 % от всего количества отказов и неисправностей, возникает на неустановившихся режимах роботы двигателя. Все большее внимание уделяется разработке методов диагностирования ГТД на переходных режимах, однако использование этих методов требует достаточной и необходимой контролепригодности двигателя, бортовых или наземных средств регистрации и контроля параметров рабочего процесса ГТД, необходима разработка адекватных математических моделей рабочего процесса и диагностических математических моделей, поиска и разработки новых диагностических признаков и комплекса параметров. Для качественной и количественной оценки влияния эксплуатационных факторов на динамические характеристики и газодинамический процесс работы ГТД в целом, были проведены исследования в математической среде МаАаЬ 6.5, используя данные эксперимента на газодинамическом стенде Аи-25.

Для двухвального ГТД условия совместной работы газогенератора описывается следующими

уравнениями [2, 3, 4].

Уравнение неразрывности в нестационарном потоке

Gr = Ge (1 + g т X1 - g отб - g охл )-AG -

(1)

где Ог - расход рабочего тела через сечение "Г" на входе в турбину; Ов - расход рабочего тела через сечение на входе в компрессор «В»; g т - относительный расход топлива; gотб, gохл - соответственно относительные расходы воздуха, отбираемые на самолетные нужды и охлаждение турбины;

АО = - увеличение (если > 0) или

Ув-Тд{ д

др

уменьшение (если — < 0) массы рабочего тела

содержащейся в объёме между сечениями на входе в компрессор и турбину, в единицу времени [5]; Р - плотность рабочего тела. Величина АО в уравнении (1) может быть представлена в виде

AG = ^ V dp

в- г .

(2)

где

dp dt

■ изменение во времени средней плотнос-

ти рабочего тела в рассматриваемом объёме; УВ _ Г - объём рабочего тела, заключенного между сечениями " В" и " Г". Уравнение (2) можно представить в виде

AG « 0,5VB-Г

Рв dPr

(3)

рг Л

Параметр АО можно разложить на составляющие, такие, как АО = АОк + АОкс..

Считая процесс в объеме компрессора близким к адиабатному, выразим связь между плотностью и давлением в дифференциальной форме [4], тогда для определения величины АОк можно воспользоваться уравнением (3), которое принимает вид

© А. В. Попов 2006 г.

ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 1/2006

- 59 -

AG. « 0,3571M*dP*

PK dt

(4)

dPK

где —- - изменение во времени давления за ком-

dt

прессором.

AG* с = dM КС.

dt

Если принять во внимание, что Мк

(5)

Р К

1 ку к.с. *

RyT г

AGk

Кк

RrTr

dPK Р* dTr

dt

■■ \

T*dt

(6)

С использованием автоматической системы проектировании (САПР) КОМПАС 3D V6 Plus были получены значения объемов камеры сгорания, компрессора низкого давления и компрессора высокого давлении с некоторой допустимой погрешностью. Численное значение величины AG было получено из выражения

(

AG :

0,3571Кв-К Рс^ + Кк.с.

\

Рк

R г Тг j

dP*

dt

(7)

приемистости данного двигателя. Принимая во внимание вышесказанное, при расчете мощностей, моментов и расходов воздуха по контурам, параметром АО можно пренебречь. Для определения таких динамических характеристик как избыточные моменты роторов низкого и высокого давлений, постоянной времени роторов необходимо располагать значением регистрируемого параметра, как пвд = /(/). Значение безразмерной величины АМ, избыточного момента роторов двигателя определяем из выражения [2, 4]

[6], то уравнение (5) сводится к следующему виду

AM, = 6,28J

dn,

(8)

где Л р - полярный момент инерции ротора относительно оси вращения.

Постоянную времени роторов низкого и высокого давлений определяем по формуле [2, 4]

T, =-

-0,1046J г

AM,

(9)

На рис. 1, 2 представлены результаты вычисления динамических характеристик ТРДД с использованием термогазодинамических параметров, полученных при проведении эксперимента.

Получив значение АО можно сделать вывод, что этот параметр не оказывает существенного влияния в определении расхода рабочего тела при

Щ 2»

2С0 133. 1GC. 50 . I

/ г! \ \

i 1 V

/ \

1 ■■ \

3£(М 4500 SSM iSÜO 710

tlf^ сю.'ши

3iÜ0

ш

/

/ ч

/ v

г \

llu.L4iriDl

• IVM mnf lüjji; | IM I i y'i2< i

-Ofll

.OjCQ -0JÖ3 -Oöt -0J05 -OfS

/ N. Л :

L 1

11й ■ sx trri 1 !

'¿¡и.оС.'из>:

T о

-СШ5 .

-tun

-Ц015, -0Й25

r4r.Gt/M3H

aoo MIÜ iDDüo IIMD iscoo LIÜCC .¿OOC г

Рис. 1. Изменение динамических характеристик при исходном состоянии ТРДД: а - значение избыточного крутящего момента ротора низкого давления АМнд, б - значение избыточного крутящего момента ротора высокого давления АМвд , в - значение постоянной времени ротора низкого давления Тнд , г - значение постоянной времени ротора высокого давления Твд

шт

A'"^'-—- N

j \ % V

■ /' - r. L \

Щ \ г i!

I i

50£0 ¡LiCiftj J10X L2CG0 130ОО14:ЙС щ

Г.« ,Г t/lvn-JH

Рис. 2. Изменение динамических свойств ТРДД с неисправностью: а - значение избыточного крутящего момента ротора низкого давления АМнд, б - значение избыточного крутящего

момента ротора высокого давления АМвд; 1 - повреждение элементов конструкции проточной части КВД, 2 - повреждение элементов конструкции проточной части КНД, 3 - повреждение элементов конструкции проточной

части ТНД, 4 - неисправность топливных форсунок

Исследуя поведение изменения динамических характеристик Тнд, Твд, АМнд, АМвд , можно прийти к выводу, что наибольшее влияние на динамические свойства двигателя при приемистости оказывают такие неисправности, как повреждение проточной части КВД, при этом наибольшая чувствительность проявляется у характеристики АМвд = /(пвд). Поэтому необходимо проводить дальнейшие исследования с целью оценки характера поведения коэффициентов усиления, степени устойчивости системы, постоянной времени и газодинамической устойчивости в целом. Перечисленные параметры могут быть использованы в качестве диагностических признаков при разработке диагностической модели оценки технического состояния проточной части ТРДД.

Список литературы

1. Зарубежный опыт//Воздушный транспорт. Экспресс информация. - 1988. - № 19 -С. 6-14.

2. Дмитриев С.А., Ратинский В.В., Шаабдиев С.Ш.

Исследование переходных процессов в двух-контурных двигателях при повреждении элементов проточной части // Промышленная теплотехника. - К.: 1998, т. 20, №6, - С. 42-44.

3. Сосунов В.А, Литвинов Ю.А. Неустановившиеся режимы работы авиационных газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение, 1975.

- 216 с.

4. Панин В.В. Газодинамическая устойчивость компрессоров авиационных ГТД. - Киев: КМУ-ГА, 1998. - 152с.

5. Станюкович К.П. Неустановившееся движение сплошной среды. - М.: Наука, 1971. - 854 с.

6. Добрянский Г.В., Мартьянова Т.С. Динамика авиационных ГТД. - М.: Машиностроение, 1989.

- 240 с.

Поступила в редакцию 13.03.2006 г.

Анота^я: Наведен1 яксн та ктьюсн1 показники оцнки зм ¡ни динам1чних властивостей двоконтурного турбореактивного двигуна при проведенн i натурного експерименту ¡з зм ¡ною техн ¡чного стану елемент ¡в конструкцУ проточно!' частини газодинамiчного стенду на баз '\ АШ1-25.

Abstract: Qualitative and quantitive characteristics of dynamic properties of double contour jet engine are presented experiment while the technical state of the flowing part design of the engine "Аи-25" gas dynamics stall change.

ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 1/2006

61