Спосіб визначення реактивної тяги гтд

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению реактивной тяги газотурбинных двигателей (ГТД), и может быть использовано как в авиадвигателестроении при проведении контрольно-сдаточных испытаний, так и в эксплуатационных условиях при скорости движения воздушного судна (ВС) равной нулю. В практике эксплуатации авиационных ГТД применяются турбореактивные (ТРД), двухконтурные (ТРДД), турбовинтовые и турбовальные (ТВД) типы двигателей. Причем для первых двух типов определяющим функциональным параметром является реактивная тяга, а для ТВД - эквивалентная (эффективная) мощность. Поэтому предлагаемый способ целесообразно использовать для ТРД и ТРДД. Наиболее близким техническим решением к заявляемому, прототипом, является способ определения реактивной тяги ГТД с форсажной камерой сгорания (1]. По этому способу измеряют статическое давление на входе в форсажную камеру, полное давление газа за турбиной, давление наружного воздуха, предварительно измеряют площадь проходного сечения двигателя на входе в реактивное сопло, по измеряемым параметрам определяют расчетным путем числа Μ потока и статические давления на входе в реактивное сопло и в его выходном сечении, а величину реактивной тяги находят по математической зависимости реактивной тяги от измеренных и определяемых по ним параметров в предположении, что течение газа в реактивном сопле является изоэнтропийным. Недостатками данного способа являются невысокая точность измерения реактивной тяги и отрицательное влияние способа на функциональные параметры и характеристики двигателя. Таким образом, основными недостатками, присущими всем известным способам косвенного определения тяги, являются следующие: - низкая точность измерения реактивной тяги вследствие наличия такой измерительной операции, как измерение полных давлений в мерных сечениях (в сечениях проточной части ГТД, где измеряют параметры рабочего тела). В любом произвольном сечении проточной части ГТД рабочее тело имеет существенную неравномерность полей полных давлений в окружном направлении (до 30%) и поэтому измерить полное давление в контрольном сечении ограниченным количеством датчиков с высокой степенью точности не представляется возможным. - Отрицательное влияние способа на функциональные параметры и характеристики двигателя, связанное с тем, что для измерения полного давления приемники полного давления устанавливаются непосредственно в проточной части ГТД. Эти приемники полных давлений уменьшают площадь проходного сечения проточной части, что приводит к снижению расхода рабочего тела, увеличению гидравлических потерь и тем самым к отрицательному влиянию на функциональные параметры и характеристики двигателя (повышение удельного расхода топлива, уменьшение удельной тяги, уменьшение запаса газодинамической устойчивости). В связи с изложенными недостатками существующие способы определения реактивной тяги ГТД в эксплуатации не используются. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа определения реактивной тяги ГТД, в котором исключается отрицательное влияние существующих способов на функциональные параметры и характеристики двигателя, повышается точность определения реактивной тяги, и за счет этого появляется возможность ее измерения в эксплуатационных условиях. Поставленная задача решается тем, что в способе определения реактивной тяги ГТД, содержащем измерение давления наружного воздуха, предварительное измерение площади входного сечения реактивного сопла, а также определение статических давлений на входе в реактивное сопло и в его выходном сечении, согласно с изобретением, статические давления в соответствующих сечениях определяют не расчетным путем, а путем их непосредственного измерения, измеряют еще и площадь выходного сечения реактивного сопла, а реактивную тягу ГТД находят по Формуле где Ρ - реактивная тяга двигателя; Fc - площадь выходного сечения реактивного сопла; Рс - статическое давление в выходном сечении реактивного сопла; к - показатель адиабаты; Pi - статическое давление во входном сечении реактивного сопла; sс -коэффициент сохранения полного давления в сопле; Рн -- давление наружного воздуха; где Fi - площадь входного сечения реактивного сопла. Измерение статических давлений во входном и выходном сечениях реактивного сопла ГТД и дополнительное измерение площади выходного сечения реактивного сопла приводит к повышению точности определения тяги, к исключению влиянияспособа на функциональные параметры и характеристики двигателя. Это обусловлено тем, что измерение статических давлений существенно снижает погрешность определения тяги за счет того, что поле статических давлений в окружном направлении в любом сечении проточной части ГТД является более равномерным и стабильным по сравнению с полем полных давлений. Приемники статических давлений, представляющие собой дроссельные радиальные отверстия в оболочке реактивного сопла, не оказывают воздействия на газовый поток, т.е. на его неравномерность и на изменение расхода. Измерение площади выходного сечения реактивного сопла легко может осуществляться в любых эксплуатационных условиях на земле, когда скорость движения ВС равна нулю и при измеренных других параметрах позволяет достаточно просто определить величину реактивной тяги. Устройство, реализующее способ (фиг.5), содержит приемники статического давления 1, реактивное сопло 2, коллекторы 3, датчики статических давлений 4 на реактивном сопле 2, датчик давления наружного воздуха 5, согласующее устройство 6, вычислительное устройство 7, устройство отображения информации 8. Приемники статического давления 1 устанавливаются на наружной поверхности реактивного сопла 2 в его мерных сечениях, обозначенных буквами і, с, ін, cн, ів, cв, в зависимости от типа ГТД, на фиг.1,2,3,4, и пневматически связаны с его каналом (фиг.5). Кроме того, приемники статического давления 1 пневматически связаны с коллекторами 3, которые пневматически связаны с датчиками статических давлений 4, установленными на двигателе. Датчик давления наружного воздуха 5 устанавливается на борту ВС, как и датчики статических давлений 4, электрически связан с согласующим устройством 6, а устройство 6-е вычислительным устройством 7, установленным на двигателе, Вычислительное устройство 7 электрически связано с устройством отображения информации 8, находящимся в пилотской кабине. Устройство работает следующим образом. При работе ГТД статическое давление газа в мерных сечениях сопла 2 (сопел) воспринимается приемниками статического давления 1 и в виде пневматического сигнала передается в соответствующие коллекторы 3, от которых пневматический сигнал поступает к соответствующим датчикам 4. В датчиках давления 4 и 5 происходит преобразование пневматического сигнала в электрический. От датчиков 4 и 5 электрический сигнал поступает к согласующему устройству б, в котором этот сигнал приводится к определенному уровню или преобразуется в двоичный код, и уже в таком виде поступает в вычислительное устройство 7, в которое предварительно введены данные о величинах k, F i, Fc, sс. В тех случаях, когда сопло двигателя регулируемое, площадь выходного сечения реактивного сопла Fc меняется в зависимости от положения его створок или центрального тела. Тогда на установившихся режимах работы ее измеряют и строят тарировочную характеристику площади выходного сечения реактивного сопла от положения управляющего органа, которую вводят в вычислительное устройство. Показатель адиабаты для газа к ·» 1,33, а коэффициент сохранения полного давления для сопел ГТД находится в пределах ас-0.9..Д99. Получив перечисленную выше информацию, вычислительное устройство 7 обрабатывает ее и выдает сигнал, соответствующий тяге ГТД, на устройство отображения информации 8 в соответствии с используемой математической зависимостью. Количество приемников статического давления 1 в каждом из мерных сечений может находиться в пределах от одного и до нескольких десятков штук. Чем их больше, тем выше точность измерения статического давления в конкретном мерном сечении. Выбор положения мерных сечений реактивного сопла 2 (сопел), как это представлено на фиг.1, 2, 3, 4, объясняется тем, что при этом достигается максимальная разница статических давлений между входным и выходными сечениями при более высоком и стабильном коэффициенте сохранения полного давления sс , чем на других участках выходного устройства. Это, в свою очередь, позволяет достичь более высокой точности в определении реактивной тяги. В качестве датчиков давления могут использоваться потенциометрические датчики типа МДД, МДТЕ соответствующего уровня давления; в качестве согласующего устройства - блок преобразования параметров двигателя (БППД); и в качестве вычислительного устройства - бортовая цифровая вычислительная машина; в качестве устройства отображения информации - дисплей пилота и бортовой магнитный регистратор. Правильность найденной математической зависимости тяги от измеряемых по способу параметров обосновывается следующим образом. При неполном расширении газа в реактивном сопле 2 при скорости движения ВС равной нулю реактивная тяга находится по формуле где Gr - расход газа через двигатель, Сс -скорость истечения газа из реактивного сопла, которая определяется по формуле где - степень расширения газа в реактивном сопле, к - показатель адиабаты, R - газовая постоянная, Тс* и Рс* - полные температура и давление в выходном сечении реактивного сопла соответственно. Расход газа определяется по Формуле где- плотность газа в выходном сечении газа в выходном сечении реактивного сопла. После подстановки значений Сс, Gr, fk в формуле формулу реактивной тяги в следующем виде реактивного сопла; Тс - статическая температура реактивной тяги (1), с учетом того, что получаем Для исключения отсюда степени расширения газа в сопле, значение которой по измеренным параметрам найти нельзя, запишем уравнение баланса расхода газа через i-oe сечение канала и через выходное сечение реактивного сопла 2 в виде В этом уравнении константы mr одинаковы, а Рс* = sс · Pi*, где sc - коэффициент сохранения полного давления сопла, определяемый по продувкам реактивного сопла 2 в проектной организации» заводеизготовителе или самостоятельно, или же подобран по известной литературе. Пренебрегая отводом тепла от газа принимаем Т с* = Τi*, Выражения для относительной плотности тока запишем в следующем виде Принимая к неизменным, уравнение (5}, преобразуем κ виду Возведем уравнение (8) в квадрат и с учетом выражения (9) получим Из уравнения (10) получим где Подставляя выражение из pс формулы (11) в уравнение (4), получаем доказываемое уравнение для определения реактивной тяги ГТД, а именно Апробация заявляемого способа осуществлялась на стенде ТРДД АИ-25 без смешения потоков с контролем реактивной тяги двигателя с помощью силоизмерительного стендового устройства с вибрационночастотным датчиком-преобразователем типа СВ-200. В соответствии с фиг.4 в указанных сечениях были выполнены отверстия диаметром 1 мм, выполняющие роль приемников статического давления 1 (8). Соосно этим отверстиям на наружной поверхности реактивных сопел 2 закрепили штуцера, которые в каждом сечении соединили с коллекторами 3. Каждый из коллекторов 3 подсоединили к своему U-образному водяному манометру. Постоянные величины, используемые для определения реактивной тяги по заявляемому способу: 1) коэффициент сохранения полного давления в сопле внутреннего контура sсв= 0,999; 2) коэффициент сохранения полного давления в сопле наружного контура sсн= 0,980; 3) площадь сечения FiH = 0,101 м2; 4) площадь сечения РСн = 0,0824 м2; 5) площадь сечения FiB = 0,092 м2 6) площадь сечения Fсв = 0,073 м2. Измерения статических давлений и давления окружающего воздуха проводили на следующих режимах работы двигателя: малый газ, 0,6 номинала, 0,7 номинала, 0,85 номинала. На всех этих режимах наблюдалось полное расширение а обоих соплах 2, т.е. Рсв = Рсн - Рн. Все значения полученных экспериментальных данных сведены в таблицу 1, где nвд - частота вращения ротора высокого давления Рів и Рін - статические давления в сечениях 1В и 1Н реактивных сопел 2 внутреннего и наружного контуров соответственно, Рр - реактивная тяга, определенная по заявляемому способу, Реи -реактивная тяга, измеренная с помощью силоизмерительного устройства стенда, Ри -реактивная тяга, определенная известным способом по полным и статическим давлениям в реактивном сопле, dРР - относительная ошибка в определении реактивной тяги по заявляемому способу dРи- относительная ошибка в определении реактивной тяги известным способом по полным и статическим давлениям β выходном устройстве На основании полученных данных построена дроссельная характеристика, представленная на фиг.6, где ▲ обозначены значения, полученные на силоизмерительном устройстве, ● - по заявляемому способу, g - по полному и статическому давлениям. Сравнивая их между собой, можно сделать вывод о лучшей сходимости результатов, полученных по заявляемому способу, с результатами прямого способа измерения реактивной тяги, чем результатов с использованием измерений полного и статического давлений с результатами прямого способа измерения реактивной тяги. Положительный эффект от использования предлагаемого изобретения состоит в повышении точности определения тяги ГТД, в отсутствии отрицательного влияния на функциональные параметры и характеристики двигателя, в простоте реализации способа, что в конечном итоге позволяет использовать данный способ как в стендовых условиях, так и в условиях эксплуатации ВС.