Creation of afterburning turbofan engine - history and present

Abstract

The main problems of the creation of afterburning turbofan engines, among which the irremovable surge of the compressor, is disclosed by historical analysis. According to the published models, such surge is a hydrody-namic instability in the form of rotating stall mutual transitions to surge with the primary cause of instability in the form of stall or vibration combustion in the afterburner. The Pratt & Whitney F100 serial engine, which based on TF30 is one of the first in which the irremovable surge was detected. As a result, several planes F-15 crashed, so far as the compressor could not be restored to a stable state without stopping and restarting the engine. Dissection of the problem with this phenomenon led to the conclusion that this irremovable surge prob-lem was generated by the engine design. To eliminate it, the company had to refine several systems, such as an electronic engine control system, fuel supply of the afterburner along with the nozzle locations, firing belt, combustion stabilization, an extension of flow separation along the contours, etc. According to the analysis of publications, particular difficulties arose with the recoverable unsurge operation of such engines. It is note-worthy that today, the F-135-PW100 engines have been installed on the F-35 aircraft, the predecessors of which are the F-100 engines with the same problems. The results of experimental studies of a fan are presented in the article to deepen in the stall flow mechanism and the occurrence of rotating stall of the fan blades. The perturbations from vibrational combustion in the afterburner combustion chamber to the fan stall boundary in the afterburning turbofan engine system at bench conditions were simulated by independent throttling of the duct over a wide range of the bypass ratio. Numerous monographs and publications according to vibrational combustion, in particular in afterburner combustion chambers TRDF AL-21F and TRDDF AL-31F, of A. M. Lulka, confirm the possibility of the propagation of perturbations against the flow in the bypass duct and the impossibility of their propagation through the turbines. The propagation of surge perturbations in the af-terburning turbofan engine to the compressor of the internal duct behind the fan occurs through the interaction of the duct. The more reliable way to prevent emergencies is to provide stability margin area of compressors. Estimation of the pre-stall state of the flow traditionally is carried out by the diffusivity factor of Lieblein FD, which is applicable in 2D calculations. The integral variational principle of nonequilibrium thermodynamics of the “maximum flow of mechanical energy” of V. N. Yershov was applied.

Шляхом історичного аналізу розкриті основні проблеми створення ТРДДФ, серед яких – неусувний помпаж компресора. Згідно опублікованим моделям такий помпаж представляє собою гідродинамічну нестійкість в формі взаємопереходів обертового зриву в помпаж при первинній нестійкості в виді зриву потоку в форсажній камері згорання, або вібраційному горінні. Серійний двигун F100, створений на базі TF30, фірми «Pratt & Whitney» - один з перших, в якому був виявлений неусувний помпаж, в результаті чого зазнали аварії кілька літаків F-15, через неможливість відновлення стійкого режиму роботи компресора без зупинки і повторного запуску двигуна. Дослідження проблеми з цим явищем привели до висновку про те, що ця проблема неусувного помпажу породжена самою конструкцією двигуна. Для її усунення фірмі довелося допрацьовувати кілька систем, як наприклад, електронну систему управління двигуном, подачу палива форсажній камері по поясах розташування форсунок, вогневої доріжки, стабілізації горіння, подовжувача розділення потоків по контурах та ін. Особливі труднощі виникали, судячи з аналізу публікацій, з відновленням безпомпажної роботи таких двигунів. Примітно, що в нинішніх умовах на літаку F-35 встановлені двигуни F-135-PW100, попередниками яких є F-100 з такими ж проблемами. Для поглиблення в процес зривного обтікання вентиляторних лопаток, виникнення обертового зриву і помпажу ТРДДФ наведені в статті результати експериментальних досліджень двоконтурного вентилятора. Імітація збурень від вібраційного горіння в форсажній камері згоряння на границя зриву вентилятора в системі ТРДДФ в стендових умовах здійснювалася незалежним дроселюванням контурів в широкому діапазоні зміни ступеня двоконтурності. Численні монографії і публікації з вібраційного горіння, зокрема в форсажних камерах згоряння ТРДФ AL-21F і ТРДДФ AL-31F А.М. Люльки підтверджують можливість розповсюдження збурень проти потоку в зовнішньому контурі і неможливість їх поширення через турбіни. Поширення помпажних коливань в ТРДДФ на компресор внутрішнього контуру за вентилятором відбувається шляхом взаємодії контурів. Забезпечення запасів стійкої роботи компресорів в двигуні - більш надійний спосіб запобігання аварійним ситуаціям ніж вихід з помпажу. Оцінку запасу беззривної роботи традиційно здійсненої за значеннями фактора дифузорності Лібляйна, який можна застосувати в 2D розрахунках. Для реалізації тривимірних течій застосований інтегральний варіаційний принцип нерівноважної термодинаміки «Максимуму потоку механічної енергії» В. М. Єршова.

Путем исторического анализа раскрыты основные проблемы создания ТРДДФ, среди которых – не-устранимый помпаж компрессора. Согласно опубликованным моделям такой помпаж представляет собой гидродинамическую неустойчивость в форме взаимопереходов вращающегося срыва в помпаж при первопричине неустойчивости в виде срыва потока в форсажной камере сгорания или вибрационного горения. Серийный двигатель F100, созданный на базе опытного TF30, фирмы «Pratt & Whitney» - один из первых, в котором был обнаружен неустранимый помпаж, в результате чего потерпело аварию несколько самолетов F-15, так как не мог быть восстановлен устойчивый режим работы компрессора без останова и повторного запуска двигателя. Вскрытие проблемы с данным явлением привели к выводу о том, что проблема неустранимого помпажа порождена самой конструкцией двигателя. Для ее устранения фирме пришлось дорабатывать несколько систем, как например, электронную систему управления двигателем, топливопитания форсажной камеры по поясам расположения форсунок, огневой дорожки, стабилизации горения, удлинителя разделения потоков по контурам и др. Особые трудности возникали, судя по анализу публикаций, с восстновлением (recoverable) безпомпажной работы таких двигателей. Примечательно, что в нынешних условиях на самолете F-35 установлены двигатели F-135-PW100, предшественниками которых является F-100 с таки-ми же проблемами. Для углубления в процесс срывного обтекания вентиляторных лопаток, возникновения вращающегося срыва и помпажа ТРДДФ приведены в статье результаты экспериментальных исследований двухконтурного вентилятора. Имитация возмущений от вибрационного горения в форсажной камере сгорания на границу срыва вентилятора в системе ТРДДФ в стендовых условиях осуществлялась независимым дросселированием контуров в широком диапазоне изменения степени двухконтурности. Многочисленные монографии и публикации по вибрационному горению, в частности в форсажных камерах сгорания ТРДФ AL-21F и ТРДДФ AL-31F А. М. Люльки подтверждают возможность распространения возмущений против потока в наружном контуре и невозможность их распространения через турбины. Распространение помпажных колебаний в ТРДДФ на компрессор внутреннего контура за вентилятором происходит путем взаимодействия контуров. Обеспечение запасов устойчивой работы компрессоров в двигателе – более надежный способ предотвращения аварийных ситуаций чем вывод (recovery) из помпажа. Оценку запаса безсрывной работы традиционно осуществленной по значениям фактора диффузорности Либляйна, который применим в 2D расчетах. Для реализации трехмерных течений применен интегральный вариационный принцип неравновесной термодинамики «максимума потока механической энергии» В. М. Ершова.