РАЗДЕЛ 2
РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА ЗАПАС ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ КОМПРЕССОРОВ ГТД
2.1. Формирование математической модели.
Рассмотренное в первом разделе влияние эксплуатационных факторов на характеристики и эксплуатационные свойства ГТД в ряде случаев может быть по величине небольшим. При определенных стечениях обстоятельств, когда влияние неблагоприятных эксплуатационных факторов действует в одном направлении, приходится сталкиваться с существенным ухудшением параметров двигателя и соответственно летно-технических характеристик самолета. Анализ существующих методов оценки изменения характеристик элементов ГТД под воздействием эксплуатационных факторов [12,15,18,20,28,37,59,116] показал, что большинство авторов не учитывали их воздействия, что не в полной мере позволяет оценить располагаемый запас газодинамической устойчивости компрессора ГТД в условиях эксплуатации.
Использование математических моделей в автоматизированных наземно-бортовых вычислительных комплексах в практике определения технического состояния проточной части ГТД позволяет существенно расширить возможности диагностирования. Вместе с тем в математической модели ГТД должны учитываться достаточно полно все известные связи между параметрами двигателя и близкие к реальным характеристики элементов.
В дополнение к существующим методам определения коэффициента газодинамической устойчивости компрессора ГТД, необходимо произвести оценку влияния эксплуатационных факторов с целью установления зависимостей между параметрами, определяющими работу и характеристики компрессора, что позволит более точно оценить информативность параметров математической модели, а соответственно и точность результатов моделирования. При варьировании рабочих параметров компрессора с учетом влияния на них эксплуатационных факторов или без такового даст возможность оценить его располагаемый запас газодинамической устойчивости. Наиболее важным результатом, несомненно, может быть установление зависимости влияния эксплуатационных факторов на компрессор с различным уровнем технического состояния.
Запас устойчивости компрессора в системе двигателя характеризуется критерием или , обусловленным для всего эксплуатационного диапазона приведенных чисел оборотов ротора [10]:
; (2.1)
, (2.2)
где - степень повышения давления в компрессоре;
- расход воздуха через компрессор.
Как видно из формул (2.1) и (2.2), запас устойчивости компрессора зависит как от положения границы устойчивости, так и от положения рабочей линии на характеристике компрессора, таким образом, контроль запаса устойчивости компрессора включает в себя проверку взаимного положения границы устойчивости и линии рабочих режимов (рис.2.1)
Поскольку в условиях производства определение фактической границы устойчивости в эксплуатационном диапазоне для каждого экземпляра компрессора вызывало бы резкое увеличение затрат, то контроль положения границы устойчивости производится или периодически, или применением статистической оценки положения границы устойчивости.
Рис.2.1. К определению запаса газодинамической устойчивости компрессора ГТД:
а- характеристика компрессора;
б- запас газодинамической устойчивости .
На практике, для определения коэффициента запаса устойчивости, характеристики компрессоров представляются в виде зависимостей:
или , (2.3)
где - КПД компрессора;
- плотность тока на входе в компрессор;
- относительные приведенные частота вращения ротора компрессора;
- температура заторможенного потока на входе в компрессор;
- давление заторможенного потока на входе в компрессор.
Характеристики компрессоров с учетом влияния изменения числа Рейнольдса, показателя адиабаты, абсолютной влажности воздуха имеют вид [46]:
;
;
, (2.4)
где - окружная скорость;
- осевая скорость;
- показатель адиабаты;
- число Рейнольдса;
- абсолютная влажность воздуха;
- газовая постоянная;
- диаметр компрессора.
Для решения поставленных в работе задач, критерии и коэффициенты газодинамической устойчивости (2.1, 2.2) необходимо рассматривать не пренебрегая функциональными зависимостями (2.4). В этом случае относительное изменение величины запаса газодинамической устойчивости определяют как суму изменений, вызванных ухудшением технического состояния элементов проточной части двигателя и влиянием эксплуатационных факторов :
, (2.5)
Величина может быть определена из уравнения
(2.6)
где - изменение запаса ГДУ, вызванное изменением влажности атмосферного воздуха;
- относительно изменение запаса газодинамической устойчивости вызванное изменением числа Рейнольдса при изменении высоты и скорости полета;
- изменение запаса ГДУ, вызванное изменением неравномерности поля на входе компрессор;
- изменение запаса ГДУ, вызванное изменением нестационарности течения на переходных режимах работы двигателя и при возмущениях на входе в компрессор.
Основные параметры, по которым производится оценка двухконтурного двигателя при стендовых испытаниях - тяга, расход топлива, число оборотов, температура газов за турбиной - зависят от атмосферных условий: температуры, давления и влажности. Для сравнения параметров двигателей необходимо исключить влияние изменений состояния окружающей среды. Это достигается тем, что параметры, характеризующие работу двигателя, относят к стандартным атмосферным условиям (САУ): , =101300 Па. Влажность до последнего времени, как правило, не учитывалась.
Приведение параметров ТРД и ТРДД с неизменной геометрией к САУ производится по известным формулам подобия. Такие двигатели обладают одной степенью свободы, или иначе, для таких двигателей в конкретных атмосферных условиях при заданном числе М один из параметров, например, число оборотов ротора, определяет все остальные параметр