Общая характеристика испытательных стендов

В процессе разработки, экспериментальной доводки, а также при производстве воздушно-реактивных двигателей необходимо проводить большой объем испытаний на различных испытательных стендах. По типу испытуемого объекта их можно подразделить на стенды для испытаний полноразмерных двигателей; стенды для автономных испытаний узлов компрессоров, камер сгорания, турбин; стенды для испытаний отдельных элементов, агрегатов и т.д.

В данном разделе рассматриваются стенды для испытаний двигателей, поскольку на таких стендах выполняются основные этапы доводки двигателей, а их устройство и оборудование в значительной степени являются типичными для большинства других испытательных стендов. Характеристика стендов, предназначенных для испытаний отдельных узлов двигателей, дана в гл. 8.

Стенды для испытаний полноразмерных двигателей можно подразделить на две большие группы - стенды открытого типа и высотные стенды.

К открытым стендам относятся как стенды, установленные вне помещений, так и стенды, имеющие всасывающие и выхлопные шахты.

На стендах открытого типа реализуются условия, соответствующие М=0 и Н=0. На этих стендах выполняются большие объемы испытаний при опытной доводке двигателя (проверка основных данных двигателя путем снятия дроссельной характеристики, оценка характеристик отдельных элементов, ресурсные испытания и др.) и при его серийном производстве (сдаточные, контрольные, технологические испытания).

На высотных стендах исследуются особенности работы двигателя или силовой установки в условиях полета (определение высотно-скоростных характеристик, проверка надежности запуска в полете, исследование совместной работы входного устройства и двигателя при сверхзвуковых скоростях полета и т.п.). По сравнению с летными испытаниями испытания на высотных стендах позволяют получить более точные и надежные данные благодаря использованию специализированной измерительной аппаратуры, возможности непосредственного измерения тяги и более широкому диапазону изменения параметров, а также требуют меньших затрат.

Испытательные стенды входят в состав испытательных станций или лабораторий. Испытываемые двигатели устанавливаются и испытываются с использованием специального оборудования в испытательных помещениях - боксах. Обслуживающий персонал, измерительная и вычислительная аппаратура размещаются в кабинах наблюдения, измерительных залах и вычислительных центрах. Испытания обеспечиваются системами питания (топливные, масляные, воздушные и другие системы), размещенными в специальных технологических помещениях и частично в испытательных боксах. Источники питания систем объекта и испытательного оборудования электроэнергией различного напряжения, сжатым воздухом и другими различными средами размещаются в специальных энергоцехах. Вычислительные центры, энергоцехи, а также технологические подразделения обслуживают, как правило, несколько стендов.

В состав испытательных станций входят также вспомогательные производственные подразделения (например, химическая лаборатория, лаборатория контроля и испытаний приборов и др.). Часть работ по подготовке двигателей к испытаниям проводится в специальных залах подготовки. На испытательных станциях и стендах имеются также административно-хозяйственные и бытовые помещения.

Каждый испытательный стенд должен удовлетворять определенным требованиям в отношении обеспечения возможности моделирования эксплуатационных условий, режимов работы двигателя, точности и достоверности получаемых результатов.

Точность измерения параметров ГТД стендовыми измерительными системами регламентируется. Ниже приведены допустимые суммарные погрешности измерения параметров двигателя при доверительной вероятности р=0,95.

Тяга или крутящий момент 0,5% измеряемой величины

(ИВ)

Расход топлива 0,5 % ИВ

Расход воздуха через двигатель 0,7 % ИВ

Расход масла 5 % нормированного

значения

Частота вращения 0,2% верхнего предела

измерения (ВП)

Давление газов по тракту 0,5 % ВП

Температура газов по тракту 1 % ВП

Давление воздуха на входе 50 Па

Температура на входе в двигатель 0,5 % ВП

Давление масла и топлива 1 % ВП

Температура масла и топлива. 1,5 % ВП

На каждый стенд составляется паспорт стенда - формуляр, содержащий основные характеристики аэродинамики стенда, его оборудования и систем. Все характеристики должны проверяться и фиксироваться в паспорте стенда при ремонте, перестройке стенда или переходе на новое изделие, но не реже одного раза в год.

ОТКРЫТЫЕ СТЕНДЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ДВИГАТЕЛЕЙ

Испытательные боксы

Испытательный бокс является основной частью испытательного стенда. Бокс состоит из следующих частей:

а) входной, через которую к двигателю поступает воздух из атмосферы;

б) центральной, где устанавливается испытуемый двигатель;

в)выходной, где происходит охлаждение выхлопных газов и выброс в атмосферу.

Как входная, так и выходная части могут быть расположены горизонтально или вертикально (рис. 4.1). Вертикальное расположение предпочтительнее, так как во всасывающую систему попадает меньше пыли, а выхлопные газы при этой компоновке лучше рассеиваются в атмосфере.

При проектировании проточной части бокса производится аэродинамический расчет, имеющий своей целью определить его размеры. При этом должны быть выполнены условия, обеспечивающие точность результатов измерений в процессе испытаний. В частности, скорость потока во входных каналах не должна превышать 20 м/с. Скорость потока в боксах вокруг двигателя не должна быть больше 5...8 м/с. Не допускается загромождение проточной части бокса более чем на 10 % площади его поперечного сечения. Потери полного напора во входной части не должны превышать 1330 Па, р*_вх/р_н=0,98... 1,02, где р*_вх - полное давление на входе в двигатель; р_н - статическое Давление окружающего воздуха в плоскости реактивного сопла на расстоянии 0,5 диаметра сопла от его края.

Прочность стен бокса при проектировании должна быть такова, чтобы и при аварии обеспечить безопасность обслуживающего персонала. Рассмотрим устройство типичного бокса.

Рис. 4.1. Виды взаимного расположения частей испытательных боксов:

а - горизонтальный; б - П-образный; в и г - Г-образные;

1 - всасывающая часть с шумоглушением; 2 - испытуемый двигатель; 3 - эжекторная труба; 4 - выхлопная часть с шумоглушением

Воздух поступает из атмосферы через шахту всасывания 1 (см. рис. 4.1,6). Испытуемый двигатель 2 установлен в рабочей части стенда на платформе силоизмерительного устройства, которая укреплена на фундаменте, изолированном от пола и стен бокса. Поэтому вибрации непосредственно не передаются на стены здания и не воздействуют на измерительную аппаратуру.

Рабочая часть бокса оснащена подъемно-транспортными устройствами (тали, тельферы, рельсовые дорожки) для монтажа и замены двигателя. Температура выхлопных газов в выхлопной шахте не должна превышать 300...400 °С, так как шумоглушашие материалы не выдерживают высоких температур, да и шумоглушение при низкой температуре более эффективно. Поэтому выхлопная система стенда проектируется так, чтобы используя эжектирующее действие струи газов, вытекающей из реактивного сопла, можно было подмешать к ней достаточное количество атмосферного воздуха. Для этого на некотором удалении от среза сопла двигателя, чтобы не исказить поле давлений на хвостовой части, устанавливается эжекторная труба 3, откуда газы поступают в выхлопную шахту 4. Таким образом обеспечивается как вентиляция бокса с целью отвода тепла от внешней поверхности двигателя и установленных на ней агрегатов, так и снижение температуры газа в выхлопной шахте. Следует, однако, учитывать, что возникающее при этом движение воздуха в боксе создает внешнее воздействие на двигатель и одновременно появляется импульс потока на входе в двигатель. Оба фактора снижают значение силы, действующей на силоизмеряющее устройство. Поэтому для определения действительной стендовой тяги требуется внесение поправок на «парусность» и на входной импульс, значения которых зависят от уровня скорости и могут достигать 2...3 % измеренной тяги.

Величина поправки определяется экспериментально по результатам измерения тяги и скорости в боксе на одном и том же режиме при различной степени дросселирования выхлопной системы бокса либо путем сравнения данных двигателя на различных стендах.

На некоторых режимах при испытании ТРДФ и ТРДДФ не удается снизить температуру выхлопных газов до необходимого значения только при помощи подмешивания эжектируемого воздуха. В этом случае в эжекторной трубе устанавливают водяной душ. Выхлопные газы через шахту шумоглушения выбрасываются в атмосферу.

Кабины управления

В кабине управления расположен пульт управления двигателем. На нем установлены рычаг управления двигателем, стоп-кран, тумблеры управления системами, основные приборы контроля эксплуатационных параметров рабочего процесса, уровня вибраций, указатели измерителей тяги, расхода топлива.

На пульте управления располагаются дисплеи ЭВМ, на которых в ходе испытаний наглядно в цифровом или графическом виде появляется информация о параметрах двигателя, результатах измерений и их первичной обработке на ЭВМ. Это позволяет оперативно вносить изменения в режимы работы и настройку двигателя, устранять возможные ошибки и при необходимости повторять измерения.

Широкое применение в настоящее время получили промышленные телевизионные установки, которые позволяют во время испытаний наблюдать за двигателем и его агрегатами, реактивным соплом и струей выхлопных газов, а при необходимости производить запись изображения на видеомагнитофон.