ОГРАНИЧЕНИЯ ПО УСТОЙЧИВОЙ РАБОТЕ КОМПРЕССОРА

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ОГРАНИЧЕНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АВИАЦИОННЫХ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК

Ограничения предельных значений параметров рабочего процесса силовой установки с целью защиты ее элементов и узлов конструкции от механических и тепловых перегрузок, а также от возникновения неустойчивых режимов работы, предусматривается еще в процессе ее проектирования. Выполнение этих ограничений возлагается, в основном, на систему автоматического управления. Она должна обеспечивать надежную и устойчивую работу силовой установки при максимальном использовании ее возможностей в любых условиях полета, включая экстремальные. Но имеются и такие ограничения, накладываемые на использование отдельных режимов работы двигателя и его силовой установки, которые возлагаются на экипаж при пилотировании самолета (вертолета).

ОГРАНИЧЕНИЯ ПО УСТОЙЧИВОЙ РАБОТЕ КОМПРЕССОРА

Вследствие применения на современных авиационных двигателях регулируемых компрессоров, их устойчивая работа обеспечивается в широком диапазоне скоростей и высот полета самолета (или вертолета) на всех установившихся и неустановившихся режимах работы двигателя. Однако опасность возникновения срывных явлений и помпажа даже у регулируемых компрессоров при некоторых неблагоприятных сочетаниях режимов работы двигателя и условий полета все же сохраняется. Поэтому практически на всех современных двигателях предусматриваются те или иные ограничения по устойчивой работе компрессора.

Наиболее типичным ограничением такого рода является ограничение по максимальной приведенной частоте вращения ротора компрессора n_пр.max или его каскадов (если компрессор многокаскадный). Это ограничение может наступать на повышенных режимах работы двигателя, соответствующих n_max, и при низких температурах воздуха на входе в компрессор, что характерно для зимней эксплуатации и при полетах на больших высотах с малыми скоростями. Ограничиваемое значение n_пр.max находится по величине минимально допустимого запаса устойчивости компрессора (его каскада) DК_у.доп из анализа взаимного расположения рабочей линии и границы устойчивости на характеристике каждого из каскадов компрессора. Само значение DК_у.доп устанавливается по опыту эксплуатации. Чем выше значние n_пр.max , тем оно наступает. при более низких температурах воздуха , а, следовательно, при меньших М_н и Т_н .

В области ограничений по n_пр.max компрессор работает на подобных режимах с неизменным запасом устойчивости всех каскадов.

Поддержание требуемого значения n_пр.max обеспечивается системой автоматического управления за счет уменьшения подачи топлива в основную камеру сгорания при снижении в этой области режимов.

К числу ограничений по устойчивой работе компрессора относится также запрещение дросселирования двигателя ниже режима «максимал» при числах М полета, более 1,5…1,7. Дросселирование двигателя в этих условиях при одновременном уменьшении площади горла воздухозаборника приводит, вследствие увеличения степени диффузорности канала входного устройства, к значительному возрастанию уровня неравномерности и нестационарности потока на входе в компрессор, что, как будет разъяснено в последующем вызывает снижение его запаса устойчивости.

Ограничение на допустимые углы атаки и скольжения в области больших скоростей полета, указываемые иногда в инструкции летчику по эксплуатации самолета, также в значительной степени обусловлены отрицательным влиянием неравномерности и нестационарности потока перед двигателем на запас устойчивости компрессора.

К ограничениям по газодинамической устойчивости компрессора у некоторых ГТД относится также запрещение вывода двигателя на максимальный режим без прогрева. Снижение запаса устойчивости при n_max у непрогретого двигателя объясняется увеличением радиальных зазоров на последних ступенях компрессора, т.к. тонкий корпус прогревается быстрее, чем ротор. Кроме того, воздух, проходя через компрессор и отдавая тепло ещё не прогретым элементам конструкции, охлаждается. Плотность его на выходе из компрессора дополнительно увеличивается и поэтоьу скорость падает. Вследствие этого углы атаки на лопатках последних ступеней компрессора по сравнению с их значениями у прогретого двигателя возрастают, а запас устойчивости DК_у снижается.

Неустойчивая работа компрессора, как указывалось, может возникать либо в форме помпажа, либо в форме вращающегося срыва.

Характерным признаком вращающегося срыва является одиночный хлопок, обусловленный выбросом сжатого и нагретого воздуха из-за компрессора на вход в двигатель, и следующее за этим резкое повышение температуры газа перед турбиной (и, соответственно, обычно контролируемой температуры за турбиной ) и снижение частот вращения роторов двигателя. При этом резко снижаются напорность компрессора, расход воздуха и тяга двигателя.

Помпаж проявляется в виде серии хлопков, возникающих из-за чередования срывов потока в компрессоре и восстановлений режима течения в нем. Он сопровождается, помимо резкого увеличения температуры газа перед турбиной и снижения частот вращения роторов, резкими низкочастотными колебаниями давления и расхода воздуха по всему тракту двигателя, приводящими к колебаниям тяги двигателя, ощущаемому летчиком как периодические продольный толчки.

Неустойчивая работа компрессора является чрезвычайно опасным явлением, поскольку приводит, как правило, к перегреву турбины, а в некоторых случаях к механическому повреждению лопаток компрессора. Поэтому она должна быть немедленно устранена. На современных двигателях для этой цели в настоящее время применяются специальные автоматические системы предупреждения и ликвидации неустойчивых режимов работы двигателя, о которых мы поговорим потом. Летчик должен знать устройство этих систем и следить за их работой. Если автоматика не смогла устранить неустойчивую работу (продолжается рост температуры газа за турбиной и не восстанавливаются частоты вращения роторов), летчик обязан выключить двигатель вручную установкой РУД в положение «СТОП» и, согласно инструкции, произвести запуск двигателя в воздухе. Обязательным требованием после устранения неустойчивой работы компрессора является прекращение выполнения задания и возврат на аэродром базирования для проведения дефектации двигателя.

Следует отметить, что неустойчивая работа компрессора в форме вращающегося срыва при полетах на больших высотах может явиться причиной самовыключения двигателя. Характерным признаком самовыключения является одновременное снижение частоты вращения и температуры газа за турбиной, падение тяги двигателя, отсутствие реакции на перемещение РУД и характерный звук уменьшающихся оборотов.

Погасание пламени в камере сгорания приводит к значительному уменьшению сопротивления закомпрессорной части тракта двигателя, благодаря чему скорость потока воздуха через компрессор увеличивается и срыв в компрессоре прекращается. Поэтому в соответствии с инструкцией летчик, снизив скорость и высоту полета до требуемых значений, должен произвести запуск двигателя в полете.