Помпаж двигателя самолета это: Помпаж (авиация) | это… Что такое Помпаж (авиация)?

Содержание

Помпаж двигателя самолета – что это? Причины, последствия, способы устранения

Помпаж двигателя самолета – что это? Под определением следует понимать срыв работы турбореактивного агрегата авиационного судна, нарушение устойчивости его функционирования. Характерными признаками такой неполадки является возникновение хлопков, дымление, снижение тяги, мощные вибрации.

Помпаж двигателя самолета – что это такое? По сути, в корне проблемы лежит потеря устойчивого течения воздушного потока через турбину. Без принятия экстренных мер это может привести к возгоранию и разрушению двигателя.

Помпаж двигателя самолета: причины

Среди вероятных причин, которые могут привести к возникновению неполадки, стоит выделить:

вывод воздушного судна на запредельную траекторию, при которой на двигатель оказываются максимальные нагрузки;
повреждение лопастей рабочего колеса по причине окончания их срока службы или неисправности;
попадание в движок посторонних предметов;
сильные порывы бокового ветра;
критически низкое давление окружающего воздуха.

К каким решениям прибегают в авиации для предупреждения помпажа?

Использование в конструкции нескольких отдельных валов является главным решением, которое позволяет предотвратить помпаж двигателя самолета. Что это? Валы в движке перемещаются на разных скоростях, независимо друг от друга. Каждый из них несет на себе часть турбины и компрессора двигателя. На современные самолеты обычно устанавливают агрегаты, которые содержат 2-3 независимых вала. При выходе из строя одного из них, остальные способны поддерживать тягу, которая требуется для перемещения судна в воздушном пространстве.

Как устраняют помпаж во время полета?

Помпаж двигателя самолета – что это? Такое явление довольно быстро приводит к разрушению движка во время полета. В случае возникновения аварийной ситуации пилоты переводят двигатель на сниженные обороты либо и вовсе отключают его на некоторое время. При своевременном обнаружении проблемы и применении такого подхода помпаж обычно исчезает сам по себе.

Повышение температуры двигателя при помпаже может составлять несколько сотен градусов в секунду. Поэтому на современных самолетах устанавливается противопожарная автоматика. Она позволяет устранить возгорание, что дает экипажу больше времени на принятие верных решений. При срабатывании автоматики одновременно происходит прерывание либо снижение подачи топлива.

Воздушное судно могут на некоторое время отправлять в свободное пике, если возникает помпаж двигателя самолета. Что это? На борту отключают все двигатели. Самолет начинает плавно терять высоту до той поры, пока не устранится возгорание. Далее в двигателях восстанавливается подача топлива и происходит возвращение к нормальному режиму полета.

В заключение

Помпаж двигателя может стать довольно серьезной проблемой во время полета. Однако современные достижения в науке и технике позволяют справляться с таким явлением. Сегодня самолеты оснащаются всевозможными сигнализаторами для экипажа, противопожарной автоматикой, системами, которые осуществляют своевременное отключение агрегата и его перезапуск.

Помпаж двигателя самолёта «Брянск — Минеральные Воды»

В газотурбинном двигателе компрессор аэродинамически выполняет функцию сжатия воздуха до требуемого уровня, когда воздух проходит через различные его ступени. Как и в самолете с неподвижным крылом, воздух, протекающий через аэродинамические поверхности разных ступеней лопаток компрессора двигателя, может свалиться. Когда любой аэродинамический профиль попадает в такую ситуацию, компрессор становится менее эффективным, что позволяет воздуху под высоким давлением, находящемуся за областью срыва, проталкиваться вперед через компрессор к впускному отверстию. Это называется обратным потоком. Это локальное нарушение воздушного потока обычно называют остановкой компрессора.

Он может развиться внезапно и часто характеризуется звуковым симптомом в виде громкого удара. Приборы двигателя могут показывать ошибочные показания при нескольких остановках, но в случае одной остановки ситуация разрешается так быстро, что приборы не успевают среагировать. Таким образом, останов компрессора варьируется от одного останова без регистрации каких-либо изменений на приборах двигателя до серии остановок, приводящих к полной потере компрессии.

Точно так же полное нарушение сжатия, приводящее к полному изменению направления потока сжатого воздуха в сочетании с выбросом ранее сжатого воздуха из впускного отверстия двигателя, называется помпажем двигателя. Такая ситуация возникает из-за того, что компрессор не может продолжать работать против уже сжатого за ним воздуха и полной потери компрессии.

Компрессор либо находится в условиях, превышающих максимальный предел его способности повышения давления, либо он нагружен таким образом, что не может поглотить временное возмущение, вызывая остановку вращения. Он может распространяться менее чем за секунду и охватывать весь компрессор. Срыв на поверхности аэродинамического профиля вращающихся лопаток или стационарных лопаток компрессора может вызвать помпаж двигателя, и ситуация срыва потока компрессора может развиться на одной лопатке компрессора, лопатках или на их группе.

На ранних стадиях развития газотурбинных двигателей это было распространенной проблемой из-за простой аэродинамики и механизмов ручного/механического управления подачей топлива. Современные двигатели разрабатываются таким образом, чтобы свести к минимуму вероятность развития условий, которые могут привести к помпажу или остановке двигателя. Тем не менее, в газотурбинных двигателях всегда существует вероятность помпажа/остановки двигателя из-за повреждения посторонними предметами (FOD), неправильной регулировки подачи топлива или неисправности блоков управления подачей топлива. В любое время, когда давление в камере сгорания двигателя увеличивается из-за давления в области диффузора, может произойти помпаж двигателя.

Поскольку существует более одной причины помпажа, результирующий звук может варьироваться от хлопка обратного выстрела одного карбюратора до скорострельности пулемета. Шум сопровождается очень заметным колебанием оборотов двигателя и приборов крутящего момента. Повторяющиеся помпажи и возникающие в результате переходные скручивающие нагрузки от двигателя могут привести к повреждению компонентов планера, поэтому их следует избегать. Двигатель обычно не повреждается помпажем, если только не происходит повторного сильного помпажа. Помпажи обычно указывают на то, что двигатель работает ненормально, что необходимо провести расследование для определения случая и предпринять шаги для исправления состояния, прежде чем разрешить воздушному судну работать в обычном режиме.

Многих из нас может удивить тот факт, что угол атаки лопаток и лопаток компрессора может изменяться, хотя они прочно закреплены в диске ротора компрессора или в кожухах статора. Изменение угла атаки происходит при изменении соотношения между скоростью воздуха, проходящего через лопатки компрессора, и частотой вращения. Для более ясного понимания этой взаимосвязи скорость воздуха и скорость вращения принято изображать стрелками или векторами, длина которых пропорциональна величине скорости воздуха или скорости вращения. Затем относительная скорость отображается вектором, длина которого определяется длиной двух других векторов. Угол атаки аэродинамического профиля представлен углом между векторами скорости и относительной скорости, как показано на рисунке ниже.

На рисунке № 2, приведенном выше, угол «а» можно считать критическим углом атаки воздушного потока. Этот угол атаки может увеличиться за пределы критической точки. Угол «b» — это состояние, когда скорость воздуха уменьшается без соответствующего уменьшения скорости вращения, а угол «с» — это состояние, когда скорость вращения увеличивается без соответствующего увеличения скорости воздуха. Любое из этих условий может привести к остановке компрессора лопаткой или лопаткой статора.

Чтобы понять это явление, давайте рассмотрим причины и последствия сваливания на любой поверхности аэродинамического профиля. Поскольку это известно многим из нас, аэродинамический профиль разработан с целью создания подъемной силы за счет создания низкого давления на верхней поверхности и высокого давления на нижней стороне. Каждый аэродинамический профиль увеличивает подъемную силу с увеличением угла атаки, пока не достигнет критического угла. Подъемная сила быстро уменьшается, если угол атаки превышает критический угол атаки. Это происходит из-за разделения воздушного потока, как показано на Рисунке № 1. Нам всем известно это состояние и его дальнейшие последствия, потому что оно относится и к самолетам с неподвижным крылом. Сваливание компрессора, происходящее на одном аэродинамическом профиле компрессора в газотурбинном двигателе, похоже на сваливание самолета с неподвижным крылом.

Функция компрессорной части газотурбинного двигателя состоит в том, чтобы подавать в камеру сгорания необходимое количество атмосферного воздуха при необходимом повышенном давлении и делать это максимально эффективно. Компрессор способен повышать на некоторую пошаговую величину уровень давления воздуха, когда он проходит через каждую отдельную ступень компрессора. Это достигается за счет правильного использования характерной способности лопастей аэродинамической формы и лопастей создавать подъемную силу.

Подобно тому, как подъемная сила, создаваемая неподвижным (поворотным) крылом, поддерживает вес самолета против сил гравитации, сумма всех дополнительных подъемных сил, создаваемых секциями аэродинамического профиля внутри камеры сгорания, поддерживает резервуар высокого давления с воздухом. внутри камеры сгорания. До тех пор, пока ничего не произойдет, что нарушит подъемную силу лопастей или лопаток, воздух под высоким давлением будет поступать из компрессора в камеру сгорания с той же скоростью, с которой он выходит через турбины, и будет сохраняться состояние хрупкого равновесия. поддерживается. Если достаточное количество лопастей или лопастей внутри компрессора останавливается, то это состояние баланса больше не может поддерживаться. Резервуар с воздухом под высоким давлением в камере сгорания имеет тенденцию выпускать воздух вперед через компрессор, что вызывает мгновенную остановку потока воздуха. Когда это состояние происходит, говорят, что двигатель находится в помпаже. Разрядка ресивера высокого давления в камере сгорания полностью разгружает компрессор и временно раскручивает аэродинамические поверхности. Компрессор наращивает противодавление до точки, при которой может снова произойти остановка, и результирующий помпаж может повторяться.

Нижний предел рабочей области, в которой двигатель может работать достаточно хорошо с удовлетворительными характеристиками, называется рабочей линией двигателя. Граница рабочей зоны, в которой может возникнуть помпаж двигателя, может быть точно определена и известна как линия помпажа двигателя. Для наиболее эффективной работы газотурбинного двигателя желательно работать как можно ближе к линии помпажа, но без опасности помпажа двигателя при любых заданных условиях эксплуатации или окружающей среды.

Ударная магистраль конкретного компрессора газотурбинного двигателя в основном зафиксирована как конструктивная особенность. Рабочую линию двигателя можно варьировать несколькими условиями. Наиболее важные из всех условий упомянуты ниже:

Изменение геометрической площади проходного сечения (GFA) сопла турбины первой ступени увеличивает воздушный поток и скорость через компрессор с большой GFA или уменьшает их с меньшей GFA. Уменьшение скорости потока имеет тенденцию к увеличению относительного угла атаки при любой заданной скорости вращения и, следовательно, позволяет двигателю работать ближе к линии помпажа.
Повреждение, эрозия или скопление грязи изменяют линию аэродинамических хорд лопаток и лопастей компрессора. Кроме того, это приводит к снижению эффективности компрессора. Эта потеря может привести к выбросу из-за снижения способности компрессора обеспечивать пропорциональный массовый расход воздуха для данной скорости вращения ротора компрессора. Из всех этих условий накопление грязи легко исправить.
Обогащенное топливо для разгона имеет тенденцию создавать более высокое, чем обычно, давление в камере сгорания, что приводит к тенденции к уменьшению воздушного потока и, следовательно, скорости воздушного потока внутри компрессора. Это приводит к помпажу компрессора двигателя. По этой причине важно, чтобы регулировка регулирующего клапана давления топлива выполнялась только на авторизованных объектах с использованием надлежащего испытательного оборудования и инструментов.

Чтобы обеспечить запас по помпажу, угол падения впускного воздуха на первый ротор компрессора должен находиться в пределах бессрывного рабочего диапазона околозвуковой аэродинамической поверхности (первые два ступени компрессора). Поскольку этот рабочий диапазон без срывов изменяется в зависимости от скорости компрессора, становится необходимым изменять угол атаки в зависимости от скорости компрессора. Обычно это достигается изменением углового положения входного направляющего аппарата. Впускной направляющий аппарат с изменяемой геометрией расположен перед ротором первого компрессора и состоит из ряда полых лопаток, соединенных синхронизирующим кольцом.

Направляющие лопатки регулируемого впуска соответствуют углу впуска между впускным воздухом и лопатками ротора первого компрессора, чтобы поддерживать требования к воздушному потоку узла ротора компрессора. При низких скоростях газовой турбины требуется большой угол входа, в то время как при более высоких скоростях компрессора требуемый угол входа соответственно уменьшается. Поскольку нас интересует правильный угол впускного воздушного потока относительно скорости вращения ротора. Положение входных направляющих лопаток должно изменяться в зависимости от частоты вращения ротора компрессора и температуры воздуха.

Эта система поставляется с газотурбинным двигателем для улучшения характеристик разгона компрессора. Система автоматически сбрасывает из компрессора небольшое количество воздуха (около одной десятой) в период цикла разгона двигателя, когда желательно более быстрое ускорение компрессора, чем небольшая потеря мощности двигателя из-за стравливания воздуха. В нормальные сутки полосы слива обычно открываются при частоте вращения компрессора ниже 70-80% и закрываются при ускорении выше этого значения для обеспечения безостановочной работы ГДТ.

Если помпаж двигателя возникает во время запуска двигателя или в полете, двигатель может быть выведен из состояния помпажа, как правило, путем немедленного уменьшения расхода топлива. Это можно сделать, используя дроссельную заслонку, чтобы немного уменьшить мощность. Затем следует провести расследование, чтобы определить причину помпажа, чтобы можно было предпринять корректирующие действия в соответствии с применимым Руководством по техническому обслуживанию двигателя.

Хорошо обслуживаемый и правильно отрегулированный двигатель обеспечит полную бесперебойную мощность для установки, в которой он находится. Правильная техника пилотирования — это единственный компонент, необходимый для бесперебойной работы двигателя и самолета.

Осевые компрессоры используются в большинстве крупных газовых турбин, как в силовых установках, так и в авиационных реактивных двигателях. За последние 75 лет эти компрессоры постоянно совершенствовались, и на сегодняшний день КПД компонентов достигает более 90%. Тем не менее, независимо от того, насколько они продвинуты, их работу необходимо тщательно контролировать, чтобы избежать эффектов потери мощности срыва и конвульсивных эффектов полного реверсирования потока, вызванных выбросом .

Несмотря на то, что современная конструкция и системы управления подачей топлива способны уберечь газовую турбину, работающую от выработки электроэнергии, в рабочих условиях, способствующих остановке и помпажу, важно знать кое-что о каждом состоянии. Имея это в виду, давайте посмотрим, как работает осевой компрессор.

Эффективное сжатие газа в различных рабочих условиях — непростая задача. Около 50-70% мощности турбинного компонента газовой турбины используется для привода ее компрессора. Сравните это с паровой установкой, где только около 1% мощности турбины используется для питания насосов питательной воды для повторной подачи несжимаемой воды в котел.

Осевые компрессоры получили свое название потому, что воздух в газовом тракте течет более или менее прямолинейно в осевом направлении, параллельно оси вращения газовой турбины. Компрессор собирается поэтапно, каждая ступень состоит из кольца подвижных лопаток ротора (или лопаток), установленных на вращающемся диске или барабане, и расположенного ниже по потоку кольца неподвижных лопаток статора (или статоров), установленных на корпусе.

Лопасти воздействуют на газовый тракт воздушным потоком, увеличивая его статическое и полное давление, а также кинетическую энергию. Статоры устраняют скорость завихрения, вызванную лопастями, тем самым уменьшая кинетическую энергию, что также способствует увеличению статического давления и выравниванию потока для лопастей на следующей ступени.

Лопасти и статоры компрессора затем воздействуют на поток газового тракта, создавая то, что специалисты по аэродинамике называют неблагоприятным градиентом давления в направлении потока, то есть от низкого до высокого статического давления. Это аналогично проталкиванию воды вверх по наклонному каналу с помощью множества мелких и быстрых мазков кистью. Если уклон (аналогично степени сжатия компрессора) слишком крутой, вода течет назад, вниз по склону.

Напротив, газовый тракт в турбине работает в поле статического давления с уменьшением в осевом направлении. Это называется благоприятным градиентом давления : представьте себе, как вода течет кистью по наклонному каналу.

Газовый тракт типичного одноконтурного шестиступенчатого осевого компрессора показан на рис. 1. Воздух поступает в ВРК (впускные направляющие лопатки, которые имеются не на всех газовых турбинах) и проходит через каждую из ступеней на пути к камере сгорания. Каждая ступень увеличивает как статическое, так и общее давление газового тракта.

Как правило, каждая ступень компрессора в промышленной газовой турбине (IGT) работает в диапазоне отношения давлений от более чем 1,0:1 до примерно 1,4:1. Чтобы рассчитать степень сжатия машины, просто умножьте степени давления для каждой ступени. Пример: Ссылаясь на рис. 1 и предполагая, что каждая ступень имеет степень сжатия 1,2:1, степень сжатия будет равна 1,2 в n-й степени, где «n» — количество ступеней, в данном случае шесть. Результат: 2,99:1.

Преимуществом высокой степени сжатия является максимальная производительность. Имейте в виду, что тепловой КПД газовой турбины увеличивается с увеличением степени сжатия. Для иллюстрации: В начале 1950-х годов осевой компрессор с 15 ступенями мог иметь общую степень повышения давления 4:1. Сегодня самая передовая газовая турбина GE класса F, газовая турбина 7FA.05 (231 МВт), оснащена 14-ступенчатым компрессором с общей степенью повышения давления 18,4:1.

Это представляет собой сокращение на одну ступень и почти пятикратное увеличение степени сжатия за семь десятилетий развития конструкции компрессоров. Соотношение давлений новейших рамных двигателей достигает 30:1; для авиационных машин примерно до 40:1. Такие степени сжатия соответствуют тепловому КПД газовой турбины в диапазоне от 35% до 45%. Самый ранний IGT (1939) имел КПД 18%.

Как видно из рис. 1, газовый тракт компрессора сужается при переходе от первой к шестой ступени. Учитывая, что средняя скорость газового тракта в осевом направлении для газотурбинного компрессора относительно постоянна, по мере увеличения давления и плотности воздуха в направлении потока лопатки и статоры становятся короче. Проблемы с концевым зазором могут возникать на ступенях высокого давления, потому что допустимые зазоры более значительны для более коротких аэродинамических профилей.

Инженер может начать проектирование осевого компрессора, используя диаграммы векторов скоростей только для IGV и первой ступени компрессора (рис. 2). Они определят необходимые углы потока воздуха на входе для лопаток и статоров, чтобы соответствовать желаемым условиям эксплуатации.

Результирующие линии обтекания лопатки компрессора показаны на рис. 3 (слева) для расчетного угла потока. (Эскиз статора был бы таким же, но без вращения.) Переходя от низкого давления на передней кромке лопасти к более высокому давлению на ее задней кромке, линии тока точно повторяют поверхности всасывания и нагнетания лопасти.

Обтекание лопасти контролируется ее пограничным слоем. Это очень тонкий, почти неизмеримый слой воздуха на поверхности лопатки, в котором сосредоточены эффекты вязкого трения. Скорость изменяется в пограничном слое от скорости линий тока сразу за его пределами до нуля (относительно поверхности лопасти) на поверхности лопасти.

Пограничные слои очень чувствительны к условиям, вызванным неблагоприятными градиентами давления, которые создает компрессор. Таким образом, проектировщик заботится о том, чтобы не происходило отрыва пограничного слоя при расчетных углах входа воздуха.

При увеличении углов входа воздуха (измеренных в осевом направлении) может произойти расслоение пограничных слоев лопасти, как показано линиями тока вокруг лопасти справа на рис. 3. Здесь линии тока на стороне всасывания не следуют поверхность лопасти позади точки отрыва пограничного слоя. Эта лопатка компрессора завис.

Сваливание немедленно увеличивает аэродинамические потери ступени: подъемная сила лопасти снижается, и желаемое увеличение давления не достигается. Больший угол входа воздуха, вызывающий срыв, мог быть вызван падением скорости воздуха, которое могло произойти из-за внезапного противодавления ниже по потоку, например, в результате блокировки камеры сгорания или турбины, или возмущения потока вверх по потоку. Другими причинами разделения могут быть шероховатость поверхности лезвия или чрезмерная утечка на кончике.

Когда одна лопасть застревает, это может привести к засорению верхнего потока, что отклонит поток приближающейся ступени (рис. 4). Это способствует увеличению углов потока воздуха для соседних проходов лопаток — в направлении, противоположном вращению. Если углы потока достаточно велики, эти лопасти также будут останавливаться, образуя так называемую ячейку . Если перемещается сама ячейка срыва, она становится вращающимся срывом, который вращается в направлении, противоположном вращению компрессора, примерно на половине скорости вала. Излишне говорить, что вращающиеся заклинивания могут значительно сократить срок службы лезвия из-за повышенного напряжения и вибрации, которые они вызывают.

По словам эксперта по компрессорам Айвора Дэя, срыв – это возмущение потока компрессора в тангенциальном направлении, а помпаж – это возмущение в осевом направлении. Во время остановленной работы средний поток воздуха через компрессор стабилен, но во время помпажа скорость потока будет быстро (миллисекунды, мс) пульсировать — иногда так сильно, что индуцируется обратный поток, часто сопровождаемый громким «хлопком».

Как объяснялось ранее, возникновение опрокидывания (и помпажа) можно проследить до поведения пограничного слоя на лопатках и статоре компрессора. Поскольку это результат базовой физики пограничных слоев, не было найдено «лекарства» для устранения остановки.

Когда OEM-производитель разрабатывает новый компрессор, он обычно тестируется, чтобы увидеть, когда он остановится, используя задним числом, чтобы определить, каких условий следует избегать. Затем системы управления двигателем, такие как Fadec (Full-Authority Digital Electric Control), программируются таким образом, чтобы рабочая точка компрессора находилась вдали от так называемых линий остановки или помпажа. Статоры с переменным шагом (для управления углами потока), продувки компрессора, обработка корпуса и контроль зазора наконечника используются для предотвращения заклинивания.

Изучение срыва и помпажа является очень активной областью исследований и разработок в мировом сообществе газовых турбин. По словам Роберта Маццауи из Trebor Systems LLC, который в 1980 году одним из первых сообщил о структурных нагрузках, вызванных помпажем, исследователи обнаружили, что тонкие модальные волны являются предшественниками вращающегося срыва, вызывающего помпаж. Есть надежда, что обнаружение таких волн позволит Fadec предотвратить сваливание и выброс.

Основная проблема заключается в том, что номинальный период времени, необходимый для срабатывания переменного статора или сброса, составляет около 200 мс. Это контрастирует с периодом времени развития вращающегося срыва и помпажа, который составляет порядка нескольких оборотов ротора. Один оборот ротора авиационной газовой турбины обычно составляет около 5 мс, в то время как для большого IGT он может достигать 20 мс. Трудность, связанная с тем, чтобы Fadec почувствовала предшественника и выполнила необходимую активацию для предотвращения срыва и выброса, становится очевидной, если принять во внимание несоответствие этих временных интервалов.

Несмотря на трудности обнаружения предвестников модальных волн, были достигнуты некоторые успехи в использовании Fadec для обнаружения надвигающегося срыва/скачка за достаточное время, чтобы либо предотвратить его возникновение, либо ограничить повторяющиеся всплески. Одним из примеров может служить двухконтурная авиационная газовая турбина, где первоначальный срыв возникает в потоке вентилятора из-за повреждения FOD или чрезмерного зазора или искажения потока из-за разделения входного отверстия гондолы.

Вот что может произойти: Остановка вентилятора приводит к потере пропускной способности, что приводит к увеличению частоты вращения нижнего ротора выше нормального уровня для настройки мощности двигателя. Более высокие, чем обычно, обороты ротора с низким золотником в сочетании с нормальной скоростью вращения ротора с высоким золотником поднимают рабочую линию компрессора низкого давления (бустера) до линии заклинивания, что приводит к вращению заклинивания и возможному помпажу. Время, необходимое низкому золотнику для увеличения числа оборотов, теперь достаточно велико, чтобы Fadec почувствовал необычное соотношение между низкими и высокими скоростями золотника и смог активировать спуск, чтобы предотвратить возникновение помпажа.

Помпаж двигателя самолета – что это? Причины, последствия, способы устранения

Помпаж двигателя самолета: причины

К каким решениям прибегают в авиации для предупреждения помпажа?

Как устраняют помпаж во время полета?

В заключение

Помпаж двигателя самолёта «Брянск — Минеральные Воды»

Читайте также

Пульсация и остановка в газотурбинных двигателях

ГАЗОТУРБИННЫЕ КОМПРЕССОРЫ: Понимание срыва, помпажа