Научно-исследовательский эксперимент
Целью научно-исследовательского эксперимента является изучение физических явлений и процессов, имеющих место в элементах ВРД, определение характеристик элементов и возможных средств их улучшения применительно к условиям использования в будущих проектах и конструкциях. Научно-исследовательский эксперимент является важнейшей частью всего процесса развития авиационной науки и техники.
На основании данных, получаемых при проведении научно-исследовательского эксперимента, уточняются теоретические представления о протекании рабочего процесса, разрабатываются методы расчета характеристик узлов ВРД, вносятся необходимые эмпирические поправки в математические модели, применяемые при проектировании ВРД.
При проведении этого вида испытаний чаще всего используются экспериментальные установки лабораторного типа, однако для питания их (в частности, сжатым воздухом или нагретым газом) часто надо располагать достаточно мощными источниками в виде компрессорных станций или баллонных батарей.
Особенностью исследовательского эксперимента является возможность проведения большого числа измерений с использованием тонкой измерительной аппаратуры (например, термоанемометров, лазерных приборов, теневых и интерференционных оптических устройств), которые трудно применить при испытаниях на работающем двигателе.
Из большого числа различных исследовательских экспериментов, проводящихся на элементах двигателя, конкретно отметим следующие, наиболее важные.
По элементам лопаточных машин (компрессоров и турбин) - это продувка прямых, секторных и кольцевых решеток лопаток с исследованием полей скорости на выходе из них, распределения давлений по поверхности лопаток, потерь полного давления, углов отставания потока, пространственной структуры течения и других характеристик решетки в зависимости от ее геометрических параметров, профилирования, скорости и направления потока на входе. Эти материалы необходимы для оптимального проектирования и расчета характеристик компрессоров и турбин.
Испытания пакетов лопаток на установках с подогревом воздуха (газа) на входе до высокой температуры (иногда до натурных значений температуры на максимальном режиме работы двигателя) позволяют отработать систему охлаждения сопловых 'и рабочих лопаток турбины, определить эффективность охлаждения, распределение фактической температуры поверхности лопаток, проверить достаточность выбранного расхода охлаждающего воздуха, выяснить эффективность работы теплозащитных покрытий и т.п.
По изучению рабочего процесса основных и форсажных камер - это определение характеристик распиливания топлива и смесеобразования, характеристики форсунок различной конструкции, содержания вредных веществ в продуктах сгорания,- устойчивости горения. Поскольку процессы, происходящие в камерах сгорания, сильно зависят от давления и температуры газа, здесь требуется создавать на входе в объект практически натурные параметры.
Эффективность новых методов расчета, профилирования и конструирования лопаточных машин может быть достаточно подробно изучена при испытаниях модельных (уменьшенных по размерам, геометрически подобных по проточной части) ступеней или групп ступеней компрессоров и турбин. Возможности геометрического моделирования широко используются в научно-исследовательском эксперименте. Модельные объекты проще изготовить, чем натурные, испытания их требуют меньших затрат энергии и менее мощных экспериментальных стендов. При проведении модельных испытаний следует внимательно относиться к соблюдению равенства основных, характерных для изучаемых явлений критериев подобия на модели и натуре (чаще всего чисел М и Re), если, конечно, они не находятся в области автомодельности. В частности, по соображениям автомодельности характеристики таких узлов, как диффузоры, сопла, смесители двухконтурных ТРД. могут быть достаточно полно обследованы на моделях весьма малого размера. С другой стороны, обтекание профилей и решеток иногда удобнее изучать на моделях увеличенных размеров по сравнению с натурой. На стадии научно-исследовательского эксперимента изучаются свойства новых конструкционных материалов, покрытий, шумоглушащих конструкций, контактных уплотнений, демпферных устройств и других элементов, которые в дальнейшем могут быть использованы в конструкции двигателя.
Для исследования возможностей совершенствования рабочего процесса ВРД, перехода на более высокие уровни параметров (в частности, температуры газа перед турбиной), а также определения характеристик в условиях взаимодействия элементов проточной части может создаваться экспериментальный газогенератор, использующий новые технические решения.
УЗЛОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ
Испытания отдельных узлов двигателя на автономных стендах являются эффективным средством опережающей отработки новых технических решений, позволяющим сократить объем, стоимость и общие сроки работ по созданию нового ВРД.
Целесообразность проведения узловых испытаний обусловлена, в первую очередь, тем, что они могут выполняться на ранней стадии работы, когда еще не имеется работоспособного двигателя. Испытания отдельного узла проводятся на автономном стенде, обычно более простом, чем стенд для испытания двигателя, работа требует меньших общих затрат.
При подготовке отдельного узла можно установить большое число датчиков системы измерений, а при испытаниях имеется возможность определить его характеристики и параметры на таких режимах, которые трудно воспроизвести на реальном двигателе.
Опыт создания современных двигателей свидетельствует о том, что все большая часть экспериментальных работ переносится на поузловые испытания и доводку.
Узловые испытания компрессора (вентилятора) проводятся на стендах, оборудованных приводом от электродвигателя или газовой турбины. При необходимости используется редуктор (мультипликатор) с требуемым передаточным отношением. Стенд должен быть оснащен устройствами для дросселирования потока на выходе из компрессора и для измерения на приводе крутящего момента.
Основным видом испытания является определение напорных характеристик и КПД вплоть до границы устойчивой работы при различной приведенной частоте вращения.
Обычно большая часть данных получается в условиях равномерного потока воздуха на входе: специальные характеристики снимаются при заданной неоднородности потока, создаваемой стендовыми устройствами - интерцепторами, сетками, имитаторами воздухозаборника.
При испытании компрессора на автономном стенде необходимо обеспечить, в первую очередь, надежное измерение параметров, по которым строится характеристика, - расхода воздуха, осредненных значений полного давления и температуры торможения потока воздуха на входе и выходе, частоты вращения и крутящего момента. Важную информацию о работе и согласовании характеристик ступеней дают измерения статического давления на корпусе между лопаточными венцами, полного давления и температуры торможения за рабочими колесами (на входных кромках направляющих аппаратов или с помощью вставных гребенок).
На автономном компрессорном стенде можно выполнить тензометрирование лопаток всех ступеней, определить уровень переменных напряжений, убедиться в отсутствии автоколебаний. Это позволит с большей уверенностью приступить к испытаниям двигателя.
Узловые испытания турбины (обычно по ступеням или каскадам) проводятся на гидротормозном стенде, и их главной целью является определение КПД турбины при изменении определяющих параметров процесса p*т и 
в области, характерной для работы в системе двигателя. На турбинном стенде можно достаточно просто и притом независимо друг от друга менять перепад давлений, частоту вращения, температуру газа. На выполненном двигателе снять такие характеристики значительно сложнее, так как для этого может потребоваться изменение проходных сечений проточной части.
Характеристики турбины можно определять при температуре газа, меньшей, чем на двигателе, при этом из условий подобия меньшей будет и физическая частота вращения, что упрощает проведение эксперимента и измерений. Такие испытания позволяют определить газодинамические характеристики на этапе, когда система охлаждения еще недостаточно доведена.
При испытаниях на автономном турбинном стенде помимо газодинамических исследований проводят тензометрирование лопаток и термометрирование лопаток, дисков, корпусов. Полученные данные, однако, впоследствии требуют проверки в реальной компоновке турбины на двигателе или газогенераторе.
Проверка жаростойкости материалов и покрытий, а также эффективности работы системы охлаждения лопаток турбины проводится обычно на неподвижных пакетах сопловых лопаток при температуре газа, равной максимальной местной температуре перед турбиной, а для рабочих лопаток - при соответствующей максимальной температуре в относительном движении. Давление газа может быть меньшим, чем в натурных условиях.
В автономных испытаниях основной камеры сгорания выбранной конструкции (для кольцевых камер допускается испытание отсека) проверяются ее гидравлические характеристики (потери полного давления), эффективность горения топлива (коэффициент полноты сгорания), устойчивость горения, высотность запуска, равномерность температурного поля на выходе, отсутствие виброгорения, уровень дымления и выделения вредных веществ. Обследуется также тепловое состояние элементов конструкции. При создании ВРД приходится, как правило, проверять несколько вариантов конструкции камеры, а в выбранном варианте проводить оптимизацию конструктивных элементов для снижения неравномерности температурного поля, получения удовлетворительного теплового состояния, повышения ресурса. Испытания на автономном стенде значительно проще и мобильнее, чем испытания в составе двигателя. При узловых испытаниях камеры сгорания достаточно просто определяются важные характеристики, требующие выхода отдельных параметров за пределы стационарных режимов работы двигателя, например границы срыва пламени по величине a в зависимости от скорости воздуха. Непосредственное измерение температуры стенок жаровой трубы позволяет определить наиболее теплонапряженные участки, оценить ожидаемый ресурс камеры.
Узловые испытания форсажной камеры проводятся, как правило, на полноразмерной конструкции и дают важные результаты для ее доводки. На входе в камеру создается поток воздуха (газа) с параметрами, соответствующими выходу из последней ступени турбины. Для испытания форсажных камер двухконтурных двигателей необходимы соответственно два потока с независимо управляемыми и раздельно измеряемыми параметрами и расходом.
При испытаниях могут быть определены: значение потерь полного давления без горения в зависимости от скорости потока, значение потерь при горении в зависимости от коэффициента избытка воздуха aS, полнота сгорания в зависимости от aS и распределения подачи топлива по сечению, границы срыва.
При узловых испытаниях форсажной камеры может быть также проверено тепловое состояние элементов конструкции и доведена система теплозащиты.
Не останавливаясь на особенностях испытаний других элементов и систем ВРД, отметим, что опыт создания ряда современных двигателей свидетельствует о большой эффективности узловых испытаний не только на ранней стадии работы, но и в период доводки полноразмерного двигателя с целью поиска и реализации в узлах резервов по повышению КПД, улучшению протекания характеристик и снижению массы.
Значительную роль при разработке ВРД играют испытания газогенератора, который собирается из узлов создаваемого двигателя и состоит из компрессора, камеры сгорания и турбины, приводящей компрессор. Газогенератор является наиболее напряженным, требующим наибольшей экспериментальной отработки комплексом узлов двухконтурного двигателя, вертолетных ГТД, других двигателей сложных схем. Вместе с тем он может быть создан и испытан на начальной стадии работы, когда еще окончательно не определены многие основные параметры двигателя, в частности степень двухконтурности, размерность вентилятора, стендовая тяга и т.п. На базе одного и того же отработанного газогенератора впоследствии может быть создано семейство различных двигателей. Это позволяет рассматривать разработку и испытание газогенератора не только как рациональный этап создания конкретного двигателя, но и как одно из направлений обеспечения опережающего научно-технического задела.
Работоспособность и эффективность газогенератора являются определяющими условиями успеха в работе над новым двигателем. На газогенераторе можно проверить обоснованность новых технических решений при проектировании компрессора и турбины, выбора повышенных значений температуры газа и степени повышения давления, эффективность новой системы охлаждения турбины. Условия совместной работы элементов в газогенераторе достаточно близки к условиям работы в системе двигателя, поэтому испытания газогенератора могут выявить многие особенности рабочего процесса создаваемого ВРД.
В частности, по измерениям давления и температуры' перед компрессором и за турбиной газогенератора можно подсчитать полезную работу, а затем и общую эффективность (КПД) турбокомпрессорной части. Это позволяет по результатам испытаний газогенератора на ранней стадии работы рассчитать реально ожидаемые высотно-скоростные характеристики двигателя, с помощью которых можно оценить возможность выполнения заданных технических условий, выяснить целесообразность каких-либо изменений в проектных параметрах вентилятора или турбины низкого давления и т.п.
Испытания газогенератора проводятся на стенде, близком по конструкции к двигательному; возможно упрощение стендового оборудования, поскольку здесь измерения тяги обычно не требуется.
Вместе с тем при испытании газогенератора приходится решать некоторые специфические методические вопросы. Например, как при отсутствии соплового аппарата турбины низкого давления создать правильный (расчетный) перепад давлений на турбине газогенератора, как охладить наружную поверхность корпуса горячей части, не имея наружного контура ТРДД. При определении некоторых характеристик требуется создать на входе в газогенератор условия, близкие к условиям работы его в системе двигателя. Для этого стенд должен иметь систему подачи на вход сжатого и подогретого воздуха.
После того как собраны первые экземпляры двигателя, основные вопросы определения характеристик и газодинамической доводки решаются путем испытания двигателя. Однако испытания газогенератора при этом не прекращаются, поскольку позволяют получить полезные и вполне достоверные материалы для доводки двигателя.
В частности, такие работы, как тензометрирование и термометрирование лопаток и дисков компрессора и турбины высокого давления двухвальных и двухконтурных двигателей, значительно проще вести на газогенераторе, где имеется возможность установить токосъемник непосредственно на роторе высокого давления.