21 октября 2018г.
Важной задачей на стадии комплексной доводки авиационного двигателя является его испытание в условиях полета: имитация процессов обледенения, проверка на попадание птиц во входной направляющий аппарат, моделирование града, атмосферного ливня. Для организации последних условий, в силу их существенной нестационарности, необходимо обеспечение ряда модельных показателей, принятых при сертификации.
Необходимым условием применения систем, имитирующих воздействие дождя на рабочий процесс двигателя, является обеспечение комплекса требований по концентрации воды в воздухе, спектру распределения капель по размерам, значению среднемедианного диаметра капель, расходным характеристикам форсунок и условиям динамического взаимодействия макродисперсного капельного потока с воздушным течением в воздухозаборник.
Для имитации дождя в модельной постановке необходимы условия, приводящие к многократному дроблению водяных струй, подаваемых в виде осесимметричных волнообразных жгутов или тонкой пелены из форсунок в поток воздуха на входе в двигатель [3].
Среднемедианный диаметр капель составляет 2,66×10-3 м. Верхняя 7,0×10-3 м и нижняя 0,5×10-3 м границы распределения капель по размерам, представленные на рисунке 1.1, обусловлены процессами коагуляции и распада, имеющими место при движении капель в воздушном потоке [2]. Интенсивность атмосферного дождя, выраженная в виде концентрации воды в 1 м3 воздуха на рисунке 1.2, существенно зависит от высоты относительно уровня земли [1].
Допустимо применение капель воды, имеющих размер и распределение по размерам, отличные от представленных на рисунках 1.1 и 2.2, тех, если Заявитель покажет, что эта замена не приводит к ослаблению требований, предъявляемых к этим испытаниям [1].
Расчетные исследования параметров процесса имитации дождя
Для формирования капли медианного диаметра 2.66 ×10-3 м необходимо время, равное t = 0,0057c. Учитывая полидисперсность имитируемого дождя необходимо обеспечивать интегральное время полета капель от сечения впрыска жидкости до среза сопла воздухозаборника не менее значения t = 0,0243 с. Требуемое значение времени полета можно достичь при значениях R ³ 3 м.
Разрушение границ капли и ее дробление на совокупность более мелких происходит при значениях We≥10. Допустимый для имитации
атмосферного дождя
диапазон значений
числа We от 0 до 10. При этом условии расстояние, на котором капля не распадаясь достигнет двигателя составляет 5 м. На режиме «малый газ» этому расстоянию соответствует перепад давления на форсунке Dp = 2,51×105
Па, для режима работы «взлет» Dp = 10,85×105 Па. Параметры режимов работы приняты для двигателя ПД-14, создание которого находится на стадии сертификационных испытаний.
Требуемое количество форсунок, входящих в состав коллекторного модуля, для режима «малый газ» при выбранном значении перепада давления Dp = 2,51×105 Па составило 14, для режима «взлет» при Dp = 10,85×105 Па – 28.
Суммарный расход воды, забрасываемой в двигатель на промежуточных режимах работы, обеспечивается последовательным подключением двух независимых по давлению коллекторов, включающих по 15 форсунок каждый.
На стационарном режиме «малый газ» имитация ливня выполняется с использованием первого коллектора, работающего при перепаде давления Dp = 2,51×105 Па. В момент времени t = 7 с включается второй коллектор и к t = 8 с при перепаде давления 0,67×105 Па он добавляет в поток 0,97 кг/с воды. К моменту времени t = 10 с оба коллектора выводятся на одинаковые
режимы по перепаду давления и расходу воды, забрасывая в двигатель по 3,83 кг/с жидкости каждый. В интервале времени от 10 до 15 с перепад давления поднимается до значения, соответствующего режиму «взлет» Dp = 10,85×105 Па на каждом из коллекторов, определяя суммарный расход воды на оба коллектора 7,89 кг/с.
Результаты экспериментального исследования образцов форсунки для имитации дождя
Для исследования характеристик макрокапельного потока разработаны и изготовлены пять опытных форсунок. Основные отличия заключаются в диаметре центрального отверстия и размерах поперечной канавки.
Доработка одной из опытных форсунок позволила получить демонстрационный образец, обеспечивающий средний медианный диаметр 2,662·10-3 м и диапазон диаметров макрокапельного потока, соответствующий сертификационному спектру от 0,5·10-3 м до 7·10-3 м при перепаде давления в форсунке Δp= 2,35·105 Па (соответствует давлению воды на входе в форсунку 3,363·105Па при её истечении в стандартную атмосферу).
Разработана схема коллекторного модуля испытательного стенда для имитации дождя. Коллекторный модуль состоит из двух независимых коллекторов в форме многоугольных кольцевых магистралей (dу = 0,1 м) с радиальными ответвлениями (dу = 0,04 м). Коллекторы содержат по 15 форсунок каждый.
Имитация дождя может быть осуществлена на режимах «малый газ» и «взлет» с условием одновременного обеспечения концентрации воды в воздухе 0,02 кг/м3 и значения среднего медианного диаметра капель 2,66 10-3м, а также работу на переходных режимах между «малый газ» и «взлет» с условием поддержания концентрации воды в воздухе 0,02 кг/м3.
Список литературы
1.
Doc 10047. Руководство по организации контроля за обеспечением авиационной безопасности. Создание государственной системы контроля за обеспечением авиационной безопасности и управление этой системой. Изд 1-е [Текст] / Международная организация гражданской авиации.– 2015. – с. 72
2.
Гурьянов, А. И. Разработка установки, имитирующей атмосферный дождь для сертификации авиационных двигателей [Текст]/ Гурьянов А. И., Гурьянова М. М., Калинина К. Л. // Информационное общество – будущее человечества в III тысячелетии: сборник статей Международной научно-практической конференции (14 февраля 2018 г., г. Москва). – М.: ИМПУЛЬС. – 2018. – С.434 – 437.
3.
Калинина, К. Л. Разработка и исследование
устройства для имитации атмосферного дождя при проведении сертификационных испытаний авиационных двигателей [Текст] / К.Л. Калинина, А.И. Гурьянов // Тезисы 15-й Международной конференции «Авиация и космонавтика – 2016».– Москва, МАИ. – 2016. – С. 276 – 278.
