Pumpanje kompresora na motoru J47-GE-17B

Način usklađivanja pojedinih elemenata je zavisan od tipa motora i njegovih proračunskih karakteristika, mada to ne mora da predstavlja pravilo koje uvijek daje željena poboljšanja. Posebna pažnja, kako pri konstrukciji tako i pri usklađivanju rada pojedinih elemenata, posvećuje se određivanju radnog područja motora, koje treba da bude što dalje od linije pumpanja kompresora, kako bi se izbjegla ova neželjena pojava.

Pumpanje kompresora (na mlaznim motorima) je pojava koja se manifestuje usporenjem kretanja vazduha od ulaza ka izlazu kompresora, što ima za posledicu nemogućnost povećanja broja obrtaja i naglo povećanje vibracija, što može da bude veoma štetno za motor.

Pojava pumpanja kompresora ređe se javlja na mlaznim motorima sa mehaničkom regulacijom broja obrtaja. Češća je kod motora J47-GE-17B (General Electric), koji ima elektronsku regulaciju broja obrtaja. Razmotrimo zbog čega dolazi do ove pojave i kako je treba otklanjati na motorima ovog tipa.

Kompresor motora J47-GE-17B je aksijalnog tipa. Sastavljen je od dvanaest stepena i konstruisan tako da odnos izlaznog i ulaznog pritiska vazduha pri punom gasu bude 5:1. Lopatice kompresora imaju funkciju da podržavaju protok vazduha, što im njihov aerodinamički oblik omogućava. Naročitu karakteristiku lopatica predstavlja njihov napadni ugao (slika 1), jer pri određenim uslovima može da dođe do prigušivanja protoka vazduha, odnosno do pumpanja kompresora. Do pumpanja kompresora neće doći ako postoji takav odnos između broja obrtaja rotora i brzine strujanja vazduha pri kojem napadni ugao lopatica ne izlazi van kritičnog područja (slika 1).

Slika 1 - Kritični napadni ugao lopatica kompresora

Ako je brzina strujanja vazduha vrlo mala u odnosu na broj obrtaja lopatica, što je prouzrokovano povećanjem pritiska na izlazu iz kompresora, napadni ugao izlazi iz kritičnog područja, koje zavisi od aerodinamičkih karakteristika lopatica (slika 2), i tada dolazi do pumpanja kompresora.

Slika 2

Do pumpanja kompresora može da dođe i kada se naglo poveća broj obrtaja, tako da to povećanje ne može da prati i odgovarajuće povećanje brzine strujanja gasova, te napadni ugao, izlazi van kritičnog područja, kako je prikazano na slici 3.

Slika 3

Dovođenjem goriva u brizgače i njegovim sagorijevanjem u komorama za sagorijevanje izaziva se povećanje broja obrtaja motora, te se može zaključiti da se ograničenjem protoka goriva može spriječiti pojava pumpanja kompresora. Ograničenje protoka goriva kod većine mlaznih motora vrši se mehanički na glavnom regulatoru. Kod motora J47-GE-17B ta regulacija se vrši elektronski, i cilj ovog izlaganja je pokušaj da se razjasne neka nejasna pitanja pri radu, kako bi se eksploatacija ovog motora vršila najbolje.

Ako se broj obrtaja motora i temperatura mjeri na ulazu kompresora, onda se pritisak na izlazu kompresora, ili protok goriva kao njegov ekvivalent, može izračunati na osnovu tih veličina. Zbog toga se i pritisak na izlazu kompresora koristi kao važan podatak za ograničenje pojave pumpanja kompresora. Prema tome, sa promjenom nekog od ulaznih parametara, protok goriva se može podesiti tako da ne dođe do pojave pumpanja kompresora, a da se pritom obezbijedi sigurno povećanje broja obrtaja motora. Elektronski sistem za upravljanje ovim motorom posjeduje kolo koje uspješno obavlja gornju funkciju. Ovo kolo je prikazano na slici 4. Napajanje mosta vrši se konstantnim naponom. U kolu, kako se sa slike vidi, postoje promenljivi i konstantni elementi. Nas intresuju samo promenljivi elementi, jer oni određuju dinamičke karakteristike izlaza ovog kola. Izlazni, upravljajući signal skida se izmedu tačaka A i B, čime se vrši ograničavanje signala greške, koji upravlja ventilom glavnog goriva, odnosno reguliše brzinu promjene broja obrtaja motora. Nivo ovog signala predstavlja istovremeno i nivo signala greške, kojeg u aproksimaciji možemo smatrati direktno srazmjernim brzini promjene broja obrtaja motora.

Slika 4. Šematski prikaz kola elektronskog sistema za regulaciju protoka goriva

Da vidimo koji su to varijabilni elementi koji režiraju napon između tačaka A i B.

CDP (davač pritiska kompresora) unosi podatak o pritisku na izlazu iz kompresora. STAL potenciometar (u glavnom ventilu goriva) daje podatak o veličini protoka goriva kroz ventil, odnosno unosi podatak o položaju ventila. CIT (davač ulazne temperature) unosi podatak o temperaturi na ulazu kompresora, pošto i njena veličina utiče na kritični i napadni ugao lopatica. Potenciometri R123 i R138 - određuju referentni nivo čitavog kola, te regulišu brzinu promjene broja obrtaja, o čemu će biti reči kasnije.

Svi otpornici, uključujući i potenciometre R123 i R138, su za vrijeme rada motora nepromjenljivi, te izlazni signal (U_AB) određuje položaj klizača potenciometra CDP i STAL potenciometra. Pošto ovo kolo, u stvari, predstavlja Vitstonov most, to i za određen položaj klizača jednog i drugog potenciometra nastaje ravnoteža u mostu, pri kojoj su tačke A i B na istom potencijalu, odnosno U_AB =0. Pošto je tačka B uzemljena, to je i tačka A na potencijalu mase, te je i signal greške ograničen na nulu. Pri ustaljenom radu motora, klizač potenciometra u CDP je podešen na malom pozitivnom potencijalu u odnosu na masu (U_AB>O), i u tom slučaju nema ograničenja.

Ako se protok goriva poveća (klizač STAL potenciometra se kreće na gore), a da ne postoji odgovarajuće povećanje pritiska na izlazu kompresora (klizač CDP miruje), potencijal tačke A se smanjuje i signal greške se ograničava na malu vrijednost. Istu tendenciju imamo i kada pritisak na izlazu kompresora opada, a protok goriva zadržava stalnu vrijednost.

Ako se protok goriva povećava kao posledica pozitivnog signala greške, da bi se spriječilo dalje povećanje protoka, potrebno je da se potencijal tačke A smanji, kako bi se ograničio protok goriva sve dotle dok ne poraste pritisak na izlazu iz kompresora. Porast pritiska na izlazu iz kompresora ima za posledicu pomijeranje klizača CDP na gore, odnosno porast potencijala tačke A i napona U_AB, te se signal greške ograničava na veću vrijednost, koja dopušta povećanje protoka goriva.

Dalje povećanje protoka goriva je praćeno podizanjem klizača STAL potenciometra, te smanjivanjem napora U_AB, odnosno ponovnim ograničavanjem protoka goriva, dok pritisak na izlazu. kompresora ne poraste za odgovarajući iznos.

Sličan proces imamo i kada je signal greške negativan, s tim što su uloge potenciometara zamijenjene. Naime, u ovom slučaju klizač STAL potenciometra sustiže klizač CDP, što ima za posledicu ograničenje naglog smanjenja protoka goriva.

Da još jedanput ponovimo proces povećanja broja obrtaja motora. Kada se ručica gasa naglo pomjeri napred do položaja koji odgovara nekom broju obrtaja, na liniji greške imamo pozitivan signal greške, koji dolazi do kola koje ga ograničava. Ovo kolo ograničava signal greške na vrijednost koja dopušta malo povećanje protoka goriva. S obzirom da se protok goriva povećao, povećava se i broj obrtaja motora, a sa njim i pritisak na izlazu iz kompresora. Kada se pritisak na izlazu iz kompresora povećao za vrednost koja odgovara povećanju protoka goriva, ograničavajuće kolo dopušta dalje povećanje protoka goriva, ali opet u određenom iznosu, koje ponovo ima za posledicu porast broja obrtaja i pritiska na izlazu iz kompresora.

Za sve vrijeme dok postoji signal greške (dok se ne dostigne komandovani broj obrtaja), nastaviće se sustizanje pritiska na izlazu kompresora i protoka goriva. Na taj način, svako povećanje broja obrtaja je vremenski programirano u određenom intervalu, te se i protok goriva povećava u određenom vremenskom intervalu.

CDP i STAL potenciometar su sastavni djelovi motora i na njima se ne mogu vršiti bilo kakva podešavanja. Naime, oni se prije ugradnje na motor provjeravaju, i tada moraju da pokažu određene karakteristike. Ostaje kao mogućnost podešavanje u kolu potenciometara R123 i R138. Ova dva potenciometra, koja se nazivaju potenciometrima maksimalnog protoka goriva, podešavaju se na avionu i sastavni su djelovi elektronske komande koja pripada avionskoj opremi. Oba potenciometra su smeštena u glavnom uređaju za gorivo i imaju ulogu da podese radnu tačku kola za ograničenje maksimalnog protoka goriva, odnosno kola za sprečavanje pumpanja kompresora.

Prije nego se ukaže na mogućnost podešavanja, nužno se osvrnuti na zahtjeve koji se postavljaju pred ovim motorom. Naime, da bi dinamika rada motora bila na zavidnoj visini, motor mora da ima sposobnost brzog prelaska sa jednog na drugi režim, odnosno kratko vrijeme ubrzanja. Maksimalno dozvoljeno vrijeme ubrzavanja se mora kretati u granicama 10-15 sek. respektivno za odgovarajuće ulazne temperature vazduha, u opsegu 0-100°F.

Pri podešavanju potenciometara R123 i R138 mora se voditi računa o dva kontradiktorna zahtjeva. S jedne strane, postoji zahtjev za što manju promjenu brzine, kako bi se spriječilo pumpanje kompresora, a s druge strane, zahtjev za što veću promjenu brzine, izražen kroz maksimalno dozvoljeno vrijeme ubrzavanja. Podešavanje R123 i R138 se vrši sa odgovarajućim provjerivačkim uređajima. Na svim tim uređajima data su uputstva za tačno podešavanje, i tolerancije pri tom podešavanju. Bilo bi normalno da, ukoliko se potenciometri podese po tim uputstvima, zahtjevi za ubrzavanje i pumpanje kompresora budu ispunjeni. Međutim, često se zaboravljaju mehaničke protočne karakteristike motora, koje su za razne motore različite, te se za zadovoljenje zahtjeva za ubrzanje i sprečavanje pumpanja kompresora ne mogu univerzalno uzeti vrijednosti R138 i R132, date u tablicama za provjeru ograničavačkog kola.

U prethodnom izlaganju rečeno je da potenciometri R132 i R138 podešavaju radnu tačku ograničavačkog kola. Bliže je stvarnom procesu pri radu motora ako kažemo da regulišu promjenu brzine motora pri prelasku sa jednog na drugi broj obrtaja. Vrijeme ubrzavanja motora je vrijeme potrebno da motor sa obrtaja praznog hoda izađe na režim punog gasa (100%), kada se ručica gasa sa položaja praznog hoda (250) naglo pomjeri u položaj punog gasa (920).

Ukoliko se podešavanje potenciometara vrši po uputstvima sa uređajima za ispitivanje, obično je vremenska slika ubrzanja sledeća: u početku se broj obrtaja mijenja dosta sporo, da bi od 70% do 100% obrtaja promjena naglo skočila. Ukoliko je protočna karakteristika motora nešto slabija, može se dogoditi da u drugom dijelu krive promjene brzine motora (70-100%) dođe do neželjenog zaustavljanja protoka gasova, odnosno pumpanja kompresora. Upravo ova okolnost je učinila da se, pri ugradnji motora na avion i podešenosti potenciometara prema uređajima za provjeravanje, registruje pojava pumpanja kompresora, te se reklamira vršiocu opravke motora neispravnost motora. Sigurno je, što je i iz prethodnog izlaganja jasno, da ukoliko STAL potenciometar i davač pritiska kompresora CDP, kao sastavni djelovi motora, nijesu ispravni, pojava pumpanja kompresora ne može mimoići rad motora, pa ma kakve mehaničke protočne karakteristike motor imao.

Poznato je da se nakon svake opravke motor ispituje pod okolnostima koje odgovaraju uslovima rada na avionu. Između ostalog, provjerava se i trajanje ubrzanja, odnosno ispituje se da nema pumpanja kompresora. Ukoliko podešenost ograničavačkog kola, pri ugradnji motora na avion, odgovara mehaničkoj protočnoj karakteristici, ne može se sumnjati da li je motor ispravan ili nije.

Ako još jedanput pogledamo u kom dijelu dolazi najčešće do pojave pumpanja kompresora, možemo zaključiti da postoji jedan kritičan broj obrtaja, koji, po dosadašnjim iskustvima, uglavnom nastupa u području 70%-80% - baš u dijelu gdje je promjena brzine počela naglo da se mijenja. U uvodnom dijelu je rečeno da do pojave pumpanja kompresora može da dođe kada postoji nagli porast broja obrtaja, jer tada napadni ugao lopatica izlazi van kritičnog ugla. Da bismo odstranili pumpanje, moramo u ovom dijelu krive smanjiti porast broja obrtaja. No, da bi se zadovoljio kriterijum ubrzanja, moramo povećati promjenu brzine u dijelu ispod 70%. Najidealnija kriva ubrzanja bila bi prava linija, što se sa konstruisanim kolima ne može ostvariti. Najoptimalniji položaj koji se može postići podešavanjem potenciometara R138 i R132 bi bila kriva data na slici 5.

Slika 5

Potenciometar R138 ima najveći uticaj u donjem dijelu krive, dok gornji deo krive režira potenciometar R132. Pošto pumpanje kompresora nastupa u drugom dijelu krive, potrebno je smanjiti nagib promjene broja obrtaja u dijapazonu od 70% do 100%. Ovo se postiže zakretanjem potenciometra R132 u smjeru kazaljke na satu. Da bi se vrijeme ubrzanja održalo u zahtijevanim granicama, potenciometar R138 treba vratiti u smjeru suprotnom kretanju kazaljke na satu, čime se prednji deo krive podiže, te i vrijeme ubrzavanja smanjuje ispod minimalne granice.

Na kraju se može zaključiti da, ukoliko se želi spriječiti pumpanje kompresora na mlaznom motoru J47-GE-17B, ograničavačko kolo maksimalnog goriva mora se podesiti tako da vremenska slika ubrzanja motora ima izgled kako je prikazano na slici 5.