УДК 621.515

М.М.Шакирьянов

О методах ликвидации помпажа в ГТД

В докладе приводится обобщение методов ликвидации помпажа. Предложена их классификация.

Помпажные явления настолько сложны и опасны, что и в настоящее время они требуют постоянного внимания и изучения(причины заключаются в очень большой степени из-за все не прекращающихся авиационных катастроф, последний случай – Индонезия, май, 2012г., наверняка на вход двигателя залетели горные орлы и был помпаж(!)).

Разработанные способы и устройства ликвидации помпажных явлений можно классифицировать по следующим признакам:

а) полная отсечка топлива (помпаж фиксируется комплексом параметров двигателя);

б) частичные воздействия сразу на несколько РО СУЛА(регулирующих органов силовых установок летательных аппаратов);

в) попеременные воздействия на РО газотурбинных двигателей(ГТД);

г) уменьшение амплитуды помпажных колебаний и увеличение запасов устойчивости путем санкционированных (имитаций) воздействий на проточную часть лопаточных машин с последующими управлениями регулирующих факторов, поддержание определенных законов регулирования.

а) Полная отсечка топлива [1, 2] рекомендуется применять для ЛА с ограниченным количеством двигателей, так как любое другое регулирование механизаций элементов регулирующих органов при жестком помпаже может привести к аварии самолета. Указанное воздействие на клапан отсечки топлива (КОТ) вызывает снижение или полную остановку ЛА. Все это приводит к полному соответствию рабочих характеристик компрессора нормальному режиму.

б) Частичные (процентные) воздействия сразу на несколько регулирующих органов СУЛА могут быть использованы для ЛА специального назначения. При этом самолет имеет возможность продолжать полет лишь с незначительным уменьшением тяги двигателя [4], так как рабочая точка компрессора "возвращается" в область его устойчивой работы, но уже при режиме малого газа.

в) Попеременные (дискретные) воздействия на РО ГТД могут применяться в ЛА с двигателями, имеющими большой запас устойчивости и служащей для транспортных целей. Эффект погашения помпажа достигается тем, что энергия вихревых зон при динамическом поперечном воздействии на них за счет разделенных на две половинки ленты перепуска (ЛП) как бы взаимно гасится.

г) Методы данной группы рекомендуется применять для высоко-скоростных ЛА (например, истребителей). Последние характеризуются пологими характеристиками компрессора, т.е. имеющими малый запас устойчивости. При этом помпаж, возникающий вследствие возмущения на входе в двигатель путем санкционированного теплового воздействия, предупреждается с одновременным увеличением расхода воздуха на охлаждение турбины и сбросом топлива. Все это ведет к повышению запаса устойчивости, так как одновременно производится открытие двух дроссельных заслонок.

Запас устойчивости повышается и применением эффекта "захвата" вынужденными колебаниями свободных помпажных колебаний. При этом уменьшается также и амплитуда колебаний, способствующая исчезновению критических ситуаций в газовоздушном тракте [3].

При наступлении и развитии помпажа для убыстрения подавления последнего, необходимо воздействие на углы входного направляющего аппарата (ВНА) и ЛП по найденным эаконам, например, по гиперболическому и квадратному, способствующим возврату параметров двигателя от неустойчивых значений к устойчивым.

В табл. предложена классификация методов ликвидации помпажа ГТД.

В первой графе представлена схема ликвидации помпажа полной отсечкой топлива, рекомендованной для применения в ЛА с ограниченным количеством двигателей.

Это обусловлено тем, что резкое изменение комплексов при помпаже без наличия в них величин элементов механизации силовой установки делает неэффективным и бесполезным подключение других регулирующих факторов. При этом распознавание помпажных явлений производится путем установления одностороннего порога срабатывания, т.е. С_пор.1, C_пор.2,...С_пор.n - пороговые постоянные для различных комплексов параметров комп.₁,комп.₂,..., комп._n, где n= 1,2,3... Под односторонним порогом распознавания помпажа подразумевается наличие в критерии устойчивости лишь одного знака неравенства. В табл. через Т₁ ,...T_n; P₁,...P_n; L_a1 ,...L_an; обозначены температуры, давления и акустические импедансы.

Методы частичного воздействия на несколько РО СУЛА приведены во второй графе. Диагностирование помпажных явлений производится путем установления двустороннего порога для отдельных параметров. Причем вычисляемые пороги содержат в себе величины расхода воздуха газовоздушного тракта. Последние делают возможным применение названных методов для ЛА специального назначения. При этом восста-новление области устойчивых значений параметров пар.₁ , пар.₂, пар.₃ ,... пар._j производится воздействием на вычисляемые пороги A₁ и A₂ , A₃ и A₄ , A₅ и A₆, A_i и A_i+1 .

Здесь A_i =f₁(P_i, T_i , Q_i ), A_i+1 =f₂ (P_i+1, P_i, T_i+1, Q_i+1 ), i=1,3,5,7...N; j=1,2,3,...K. P_i, P_i+1, T_i, T_i+1, Q_i, Q_i+1 - давление, температура и расход воздуха в соответствующих сечениях двигателя. Как только значения исследуемого параметра "войдут" в область устойчивости A_i и A_i+1, ЛА может продолжить полет почти с той же скоростью, определяемой новыми режимами работы ГТД.

Схемы ликвидации помпажа (графа 3), в которых используются попеременные воздействия на РО ГТД, должны применяться для транспортных ЛА. Это обусловлено тем, что в этих устройствах реализуются зависимости типа

Q_BI =f₁ (P₁ , T ₁ ,P ₂ , T₂ ),

Q_Bn =f_n (P_i ,T_i , P_i+1 , T_i+1. . .). Здесь n=1,2,3, . . . L . i=1,2,3, . . . M.

Таблица. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ЛИКВИДАЦИИ ПОМПАЖА

Полная отсечка топлива (применяется для ЛА с ограниченным количеством двигателей)	Частичные воздействия на несколько РО СУЛА (ЛА специального назначения)	Попеременные воздействия на РО ГТД (транспортные ЛА)	Санкциониро-ванные воз-действия на лопаточные ма-шины и под-держание опре-деленных зако-нов регулиро-вания
Распознавание помпажа путем установления одностороннего порога для комплексов комп.1=f1(T1,P1,La1, La2,Ca1,Ca2), комп.2=f2(T2,P2,La1, La2Ca1,Ca2), ……….. комп.n=fn(Tn,Pn,Lan, Can) Критерии устойчивости комп.1>Спор.1, комп.2>Cпор.2, ……….. комп.n>Cпор.n	Диагноз помпажных явлений производится путем установления двустороннего порога для отдельных параметров, т.е. A1<пар.1<A2, A3<пар.2<A4, A5<пар.3<A6, ……….. Ai<пар.j<Ai+1 где i=1,3,5,7,…N; j=1,2,3,…K. Ai=f1(Pi,Ti,Qi), Ai+1=f2(Pi+1,Pi, Ti+1,Qi+1).	В устройстве ликвидации помпажа реализуется зависимость типа QBI=f1(P1,T1,P2,T2,…), …….. QBn=fn(Pi,Ti,Pi+1,Ti+1). Здесь n=1,2,3,…L. Критерии устойчивости QBI>Rпор..I, QBI>Rпор.II, …….. QBn>Rпор..z	В одном случае используется ключ тепло-вого воздей-ствия, содер-жащий пиро-патрон-воспла-менитель. В другом случае на пос-тоянную сос-тавляющую расхода воз-духа QBII накладываются синусоидаль-ные колебания с функцией Sinwt для зах-вата пом-пажных ко-лебаний. Необходимо со-блюдение сле-дующих зако-нов QI,QII,Tn/Tn+1, Pn/Pn+1=lnQI, QI,QII, Tn/Tn+1, Pn/Pn+1=QII^1/2, n- сечение ГТД

Таким образом, определяющим параметром для температуры и давления T_i , T_i+1 и P_i , P_i+1 является расход воздуха в проточной части компрессора Q_Bn, изменение которого достигается воздействием на ЛП или ВНА.

Условия устойчивости выглядят так

Q_BI > R_пор._I , Q_BII > R_пор.II , …….Q_Bn > R_пор.n.

Здесь R_пор._I , R_пор.II , . . . . ., R_пор.n – пороговые постоянные.

В четвертой графе приведена схема методов устранения помпажа, рекомендующихся для применения в высокоскоростных ЛА - истребителей. Это обусловлено тем, что характеристики компрессора являются пологими и требуют постоянного повышения запаса устойчивости. В одном случае используется ключ теплового воздействия на входе в двигатель. В другом случае на постоянную составляющую расхода воздуха Q_BII за компрессором накладываются синусоидальные колебания с частотой w вынужденных колебаний. Последнее делается для захвата свободных помпажных колебаний вынужденными колебаниями.

Приводятся также рекомендации, указывающие на то, что убыстрение устранения помпажных явлений необходимо производить соблюдением следующих законов

, , T_n/T_n+1 , P_n/P_n+1=lnQ_I,

, , T_n/T_n+1 , P_n/P_n+1=Q_II^1/2,

где n=1, 2, ... N ---сечение проточной части двигателя, , -приведенные (безразмерные) величины расхода воздуха за компрессором и его первой группой ступеней, соответственно.

Таким образом, здесь приведена классификация имеющихся и полученных автором методов ликвидации помпажа ГТД. Даны указания по их применению в тех или иных ЛА различного назначения.

Литература

1. Шакирьянов М.М. Решающая таблица для определения границы газодинамической устойчивости и устранения помпажных явлений. Изв. Вузов, Авиационная техника, №1, 2000г.,с.80.

2. Шакирьянов М.М. Об одном способе построения электронного устройства противопомпажной защиты компрессора. Ученые записки БГПУ им.М.Акмуллы, вып.11, 2010г., с.162-164.

3. А.с. №953866 (СССР). Устройство вывода компрессора газотурбинного двигателя из помпажа (Ю.М.Гусев, В.И.Васильев, В.Н. Ефанов и М.М.Шакирьянов). 1982 г.

4. Шакирьянов М.М. Разработка модели неустойчивой работы турбокомпрессора и построение устройства для защиты ГТД от помпажа. - Изв. Вузов.- Авиационная техника, 1986-№1, с.61-66.

Мои данные(доклад уложился в 4 стр., и лишь бы он был “ВАКовским”):

Сведения об авторе:

Шакирьянов Морис Масгутович, 1953г.р., к.т.н., доцент БГПУ, дом. адрес – Россия, Башкирия, г. Уфа – 76, ул. Аксакова, 7 кв. 59.

Автор 150 научных работ и изобретений в области построения методов и электронных устройств защиты компрессора от помпажа,. Изобретатель СССР, Соросовский доцент.