CC BY
42
УДК 629.7.03.018
О.Н. Былинкина, Б.Б. Коровин, В.В. Червонюк Федеральное государственное унитарное предприятие РФ «Летно-исследовательский институт им. М.М.Громова», Россия
КОНЦЕПЦИЯ ЛЕТНО-ПРОЧНОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ ВИНТОВЕНТИЛЯТОРОВ АВИАЦИОННЫХ ГТД НОВОГО
ПОКОЛЕНИЯ
Аннотация: На основе научного и методического задела ЛИИ им. М. М. Гоомова по разработке и использованию при испытаниях ГТД моделей динамического нагружения лопаток компрессоров (лопастей винтовентиляторов) и обобщения опыта вибрационной доводки на летающей лаборатории (ПЛ) вентилятора ТРДД большой тяги и сверхбольшой степени двухконтурности, а также винтовентилятора ТВВД уточнена концепция летно-прочностных испытаний винтовентиляторов перспективных двигателей большой тяги. Обоснованы структура модели нагружения винтовентилятора, номенклатура обследуемых режимов, методы и средства обеспечения безопасности полетов.
Винтовентилятор, вибрационное нагружение, безопасность, флаттер, косой обдув, угол заклинения, модель нагружения, бортовой контроль
Введение
В связи с необходимостью проведения летно-прочностных испытаний повышенного риска для винтовентиляторных ГТД нетрадиционных схем и сверхбольшой степени двухконтурности, для которых не имеется термобарокамер (ТБК) соответствующей мощности, требуется уточнение концепции и технологии таких испытаний. Решению указанной задачи и посвящена настоящая работа, базирующаяся на обобщении опыта летных исследований вибрационного нагружения лопаток КНД и вентиляторов, а также лопастей винтовентиляторов авиадвигателей различных схем на ЛЛ и основных летательных аппаратах (ЛА).
1 Формулирование проблемы
В качестве основных направлений уточнения технологии и концепции летно-прочностных испы -таний рассматривались:
- обоснование структуры моделей динамического нагружения лопастей винтовентиляторов, методики их получения и применения на различных этапах летных испытаний;
- расширение номенклатуры обследуемых режимов летных испытаний;
- обеспечение безопасности испытаний.
2 Решение проблемы
Повсеместный перевод авиатехники к эксплуатации по техническому состоянию и повышенные требования к безопасности полетов в связи с вынужденным перенесением на ЛЛ и основной ЛА
© О.Н. Былинкина, Б.Б. Коровин, В.В. Червонюк 2006 г.
некоторых видов испытаний повышенного риска, которые ранее проводились только в ТБК, требуют соответствующих методических решений.
Одним из таких решений применительно к задаче обеспечения вибрационной надежности лопаток КНД является возможно раннее (до выхода на основной самолет) получение моделей их вибрационного нагружения, опережающая оценка чувствительности лопаток к временной и пространственной неравномерности потока на входе в двигатель, прогноз по экспериментальным моделям и коэффициентам виброчувствительности лопаток их ожидаемого динамического нагружения при испытаниях и в эксплуатации [1].
Все сказанное в полной мере относится к вы-соконагруженным лопастям винтовентиляторов современных ГТД, основной причиной переменного нагружения которых является их работа в условиях «косого» обдува натекающим воздушным потоком. В частности, как показали испытания на ЛЛ винтовентилятора ТВВД с соосным винтом из композиционных материалов, уровень вибрационного нагружения элементов переднего и заднего винтов и вала редуктора в прямолинейном горизонтальном полете без скольжения можно представить в виде зависимости
ст = к (а + 5)У12, (1)
где к - коэффициент пропорциональности (зависит от аэродинамических характеристик лопастей);
а - угол атаки самолета;
5 - угол заклинения двигателя относительно строительной горизонтали самолета;
VI - индикаторная скорость полета.
Правомерность этой предложенной В.В. Черво-нюком зависимости, полученной с использованием известного соотношения Г. И. Майкапара [2], иллюстрируется рисунком 1, на котором показано изменение динамического нагружения в представительных сечениях лопастей винта и вала редуктора в условиях работы опытного изделия на объекте при его разгоне в горизонтальном полете. Параболическая зависимость вибрационного нагружения элементов винтовентилятора от скорости полета с характерным минимумом при скорости, соответствующей отсутствию "косого" обдува, позволяет определить, как диапазон безопасных скоростей полета, так и правильность выбранного угла заклинения двигателя на самолете.
Рис. 1 - Изменение величины вибрационных напряжений в лопастях винтовентилятора и вале редуктора при выполнении самолетом разгона до Vmax пред.
(ЗВ - задний винт, ПВ - передний винт)
Оценку ожидаемого вибрационного нагружения
о = ка(асам+5)^*з2+кр*Р*^1з2+креж^дв' (3) где о - уровень вибрационных напряжений; асам, в - углы атаки и скольжения самолета; 5 - угол заклинения двигателя относительно строительной горизонтали самолета; Vi3 - индикаторная земная скорость; креж - коэффициент влияния режима; ка, кр - коэффициенты влияния углов атаки и скольжения,
Ыдв - мощность двигателя.
Индикаторная скорость, VI Рис. 2 - Прогноз уровня вибронагруженности вала редуктора двигателя в условиях его работы на основном самолете
Специально поставленный летный эксперимент
Область I
С-*
Облас
винтовентилятора в эксплуатационных условиях удобнее осуществлять представив формулу (1) в виде
о = к*а*У2+к*5*У12 « к1*0*У12+к*5*У12, (2)
где в - вес самолета.
Полученные с помощью (2) и расчетно-экспе-риментальных аэродинамических характеристик планера зависимости для прогнозирования уровня вибрационного нагружения элементов винтовентилятора при различных полетном весе и числе М полета на объекте представлены на рис. 2. Указанные зависимости были успешно использованы при летных испытаниях двигателя на самолете, в процессе проведения которых была идентифицирована более полная модель динамического нагружения элементов винтовентилятора следующей структуры
для определения коэффициента влияния кр иллюстрируется рисунком 3, а на рисунке 4 и 5 показаны экспериментальные зависимости, использовавшиеся при получении ка
Рис. 3 - Изменение величины переменных напряжений в лопастях заднего винта и вале редуктора по углу скольжения при выполнении самолетом координированного скольжения
Рис. 4 - Изменение переменных напряжений в лопасти заднего винта при выполнении полетов на большие углы
атаки с двигателем, работающим на различных режимах
Рис. 5 - Связь уровня нагружения заднего винта с углом атаки самолета и режимами работы двигателя.
¡ЭБЫ1727-0219 Вестникдвигателестроения № 3/2006 # 127
Истинный угол атаки
режим работы двигателя, M Г- малый газ, МП -полетный "максимал"
О BErn/V132 t .
г' 1 ' ■ /
id У J
iwtt ~т : : ** О ТТЛ-^-Î-1---УуТ^^-
Истинный угол атаки
а « "* ¡»-mil I Луш, im " *
Очевидно, что модели вышеуказанного вида пригодны для контроля вибрационного состояния и остаточного ресурса элементов винтовентилятора в эксплуатации по полетной информации, регистрируемой штатными бортовыми накопителями, а их наличие на этапе испытаний двигателя на ЛЛ позволяет приступать к отработке методики автоматизированного контроля нагружения винтовентилятора до начала летных испытаний на основном самолете.
Доминирование в вибропроцессах лопастей винтовентилятора составляющей на частоте вращения ротора подтверждает главную роль первой гармоники окружной неравномерности в возбуждении колебаний винтовентилятора при его косом обдуве.
Регрессионным анализом материалов летных испытаний большой номенклатуры авиадвигателей маневренных самолетов [3] выявлено, что углы атаки, скольжения и квадрат скорости (числа М) полета так же, как и произведения указанных параметров - значимые влияющие факторы для 1-ой гармоники окружной неравномерности потока на входе в двигатель ( регрессионные модели III типа согласно [3]).
Аналогичный результат имеет место и для виб-ронагруженности лопаток КНД, зафиксированной при совместной работе обследованных двигателей с достаточно протяженными сверхзвуковыми
каналами сложной конфигурации (модели II типа [3]), при том, что рассматриваемые модели нагру-жения получены для условий резонанса лопаток, вызываемых 3-ей гармоникой неравномерности, имеющей существенно меньший уровень, чем 1-я.
Исходя из вышеизложенного, можно ожидать сохранение структуры модели (3) и для закапотиро-ванного винтовентилятора перспективного двигателя ТВВД нетрадиционной схемы.
Биротативный винтовентилятор этого двигателя с лопастями из композитных материалов по существу является соосным винтом в капоте. При тонкой губе мотогондолы (ее наружный диаметр составляет 3150 мм, а наружный - 2900 мм) возможен отрыв потока с острой кромки при косом обдуве и при прямом засасывании воздуха в стартовых условиях.
При указанных особенностях конструкции можно ожидать, что рассматриваемый узел будет одновременно воспринимать переменные нагрузки от набегающего потока, как свободный винт, чувствительный к косому обдуву, и как вентилятор двигателя сверхбольшой степени двухконтурности, работающий с коротким воздухозаборником.
Поэтому в дополнение к действующей методике оценки вибронагруженности элементов ГТД на самолете [1] номенклатура обследуемых режимов в стартовых условиях работы двигателя должна предусматривать обязательную оценку нагружения винтовентилятора при боковом ветре. Режимы обследуемые в полете должны включать в себя горизонтальные разгоны самолета с V пр min до Упр max на минимальной и максимальных высотах для данного ЛА, координированные скольжения в горизонтальном полете и выполнение эволюций, обеспечивающих выход на предельные углы атаки, при строгом учете угла заклинивания двигателя на ЛА, чтобы с максимальной достоверностью оценить влияние эффекта косой обдувки винтовен-тилятора в эксплуатационных условиях.
В связи с тем, что двигатели рассматриваемого класса с расходами воздуха более 800 кг/с поступают на летные испытания без проверки в ТБК устойчивости лопастей винтовентилятора к флаттеру, методика летных испытаний двигателя на ЛЛ должна предусматривать оценку вибронагруженности лопастей с запасами по коэффициенту режимов в экстремальных условий эксплуатации, регламентируемых нормативной документацией по проверке автоколебаний.
Наличие большой номенклатуры обследуемых режимов повышенного риска при отсутствии превентивных испытаний полноразмерного двигателя в ТБК предъявляет повышенные требования к обеспечению безопасности летных испытаний.
Таким требованиям отвечает разработанный в ЛИИ программно-аппаратный комплекс для инфор-
RflB-
мационного сопровождения летно-прочностных испытаний ГТД нового поколения [4]. Бортовая часть указанного комплекса не только обеспечивает непрерывную запись виброакустических процессов и сопровождающей информации в течение всего полета, но и позволяет осуществлять непрерывный бортовой контроль динамического нагружения элементов двигателя в реальном времени во временной и частотной областях, в том числе и по сигналам, формируемым современными средствами бесконтактной диагностики флаттера [5], [6]. Для реализации указанных возможностей в полной мере необходимо применение бесконтактных токосъемников последнего поколения при передаче высокочастотных тензосигналов с обоих роторов винтовентилятора. Успешный опыт ЛИИ по применению таких токосъемников с оптическим преобразованием сигнала при тензометрировании в полете рабочих колес КНД авиадвигателей маневренных самолетов позволяет с оптимизмом относиться к возможности подобного технического решения и для винтовентиляторных ГТД.
Основная задача, решаемая наземной частью программно-аппаратного комплекса [4], - оперативная обработка вибрационных процессов во временной и частотной областях, направленная на функциональную увязку параметров высокочастотных процессов динамического нагружения элементов ГТД с параметрами полета самолета и работы двигателя, включая уточнение и идентификацию по экспериментальным данным моделей нагружения. В режиме экспресс-анализа программное обеспечение комплекса позволяет принимать решение о продолжении полетов в течение 1-2 часов после посадки борта.
Заключение
Успешность проведения прочностной доводки винтовентиляторных двигателей нового поколения во многом определяется разработкой моделей динамического нагружения элементов винтовентиля-тора в функции параметров полета и угла заклине-ния двигателя на самолете. Технология летно-проч-ностных испытаний ТВВД с закапотированным винтом должна быть дополнена номенклатурой обследуемых режимов, обеспечивающих:
- условия максимально ожидаемого в эксплуатации косого обдува винтовентилятора, регламентированного требованиями к летно-прочностным испытаниям классических винтов;
- проверку виброчувствительности лопастей винтовентилятора к направлению и силе ветра;
- запасы по коэффициенту режима в экстремальных условиях эксплуатации, регламентированных нормативными документами по проверке автоколе-
баний при гарантированном контроле динамических нагрузок по результатам их измерения в реальном времени и совмещении испытаний с отработкой технологии автоматизированного контроля нагружения тензометрируемых узлов в эксплуатации по полетной информации.
Литература
1. Коровин Б.Б. К совершенствованию методологии вибрационной доводки лопаток компрессоров авиационных ГТД.// ЛИИ.- Труды №409. - 1981. - 56 с.
2. Майкапар Г.И. Расчет составляющих сил и момента, действующих на воздушный винт при косой обдувке. - Сборник работ по теории воздушных винтов. - БНИ ЦАГИ, 1958.
3. Коровин Б.Б., Зудов С.М. К синтезу моделей вибрационного нагружения лопаток турбома-шин авиационных ГТД. //ЦИАМ.- Труды № 1221.- 1985. - С. 218-233.
4. Былинкина О.Н.,Коровин Б. Б., Стасе-вич А.А. Программно-аппаратный комплекс для лет-но-прочностных испытаний авиационных ГТД нового поколения. // Авиационно-космическая техника и технология.-2005. -№9/25.
5. Сачин В.М., Туманов Н.В., Шатохин А.Г. Бесконтактная вибродиагностика флаттера рабочих колес компрессоров. В сб.: Аэроупругость лопаток турбомашин. Вып. 4, 1987.- ЦИАМ. - Труды 1221. - С. 195-206.
6. Хориков А.А. Метод и система диагностики аэроупругих колебаний рабочих лопаток компрессора датчиками пульсации.- В кн.: Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования.-Харьков, ИМП, 1997. - С. 323-332.
Поступила в редакцию 25.07.2006 г.
Рецензент: д-р техн. наук, проф. Б.Ф. Шорр, Федеральное государственное унитарное предприятие « ЦИАМ им. П.И. Баранова», Россия.
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 3/2006
- 129 -
Анота^я: На основi наукового \ методичного досв\дуПИ \м. М.М. Гоомова по розробц i використанню при випрбуваннях ГТД моделей динам\чного навантаження лопаток компресор\в (попастей вентилятор\в) \ узагальнення досв\да в\брац\йного доведення на льотн\й лаборатор\\ (ПП) вентилятора ТРДД надвелико! степен\ двухконтурност\, а також гвинтовентилятора ТВВД уточнено концепц\ю льотно-м\цностних випробувань гвинтовентилятор\в перспективних двигун\в велико\ тяги. З'ясован\ структура модел\ навантаження гвинтовентилятора, номенклатура досл\джуваних режим\в, методи \ за-соби забезпечення безпечност\ польот\в.
Abstract: On the basis of the Gromov Flight Research Institute named after M.M. Gromov (GFRI) scientific and methodological experience in development and utilization of the compressor blades dynamic loading models in gas turbine engines flight tests and summarization of vibration development on the flying test bed of both the fan of high trust and ultra-high-bypass ratio propfan turbofan and the propfan of promising propfan engine the conception of flight-stress tests of the promising engine has been elaborated. Structure of propfan stress model, list of testing regimes, methods and means of flight safety guaranteeing have been substantiated.
- ly0 -
