Эквивалентно-циклические испытания газотурбинных двигателей

Установление ресурса двигателя осуществляется в соответствии с нормативными документами. Для двигателей гражданской авиации таким основным документом является ЕНЛГ.

Двигатель после разработки и доводки должен обладать некоторым начальным ресурсом. Одним из главных оснований для установления ресурса является успешное прохождение длительных испытаний на полный ресурс или эквивалентно-циклических испытаний. Например, в соответствии с ЕНЛГ для установления начального ресурса должны быть проведены испытания двух двигателей по программе эквивалентно-циклических испытаний (ЭЦИ), одного - по эксплуатационной программе.

Основой для разработки обоих этих типов испытаний является осредненный полетный цикл, представляющий собой изменение по времени давления и температуры воздуха на входе в двигатель, частот вращения роторов и других параметров, характеризующих режимы работы двигателя на самолете. Осредненный полетный цикл формируется в результате статистического анализа фактических условий работы двигателя в эксплуатации по данным бортовых регистраторов параметров полета, а для новых двигателей - по данным для предшествующего поколения ЛА с учетом прогнозируемых изменений. В полетном цикле указываются: продолжительность и условия полета (М, Н) и наземной наработки; общая продолжительность работы на максимальном режиме и на форсажных режимах; число запусков; число выходов на режим (в том числе и «холодного» двигателя); число включений форсажа; число и интенсивность переменных процессов, Характеризующихся величиной перемещения РУДа или изменением частоты вращения роторов; число срабатываний средств механизации (реверса, лент перепуска, поворотных направляющих аппаратов и др.).

В некоторых случаях эксплуатация двигателя может характеризоваться несколькими полетными циклами.

На основании полетного цикла разрабатывается испытательный цикл, т.е. изменение во времени частот вращения роторов, положений регулирующих органов и условий на входе в двигатель при стендовых испытаниях, обеспечивающих воспроизведение повреждаемости, характерное для условий эксплуатации. В частности, испытательный цикл для испытаний двигателя по эксплуатационной программе должен полностью воспроизводить наработку на всех установившихся режимах и число переменных процессов полетного цикла. В случае необходимости в программу включаются также испытания с подогревом воздуха.

Можно выделить три основных принципа составления программы эквивалентно-циклических испытаний ГТД.

1. Увеличивается наработка двигателя на наиболее нагруженных режимах (взлетный или максимальный продолжительный). Суммарное время наработки должно быть эквивалентно по длительной прочности времени наработки в полетном цикле наиболее нагруженной детали горячей части двигателя (обычно это лопатка первой ступени турбины).

2. Для подтверждения достаточной усталостной прочности вводится наработка на резонансных частотах или с учетом разброса собственных частот в пределах 5...10 % рабочая область частот вращения разбивается на несколько диапазонов (обычно через 5 %) и в каждом диапазоне предусматривается наработка не менее одной минуты на 1 час наработки в полетном цикле.

3. Проверка на малоцикловую усталость обеспечивается полным воспроизведением переходных процессов (запусков, проб приемистости, включения реверса, переключения средств механизации компрессора и т.д.) с учетом коэффициента соответствия полетного и испытательного циклов.

Рассмотрим характерные особенности проведения эквивалентно-циклических испытаний на примере 150-часовых стендовых испытаний предусмотренных ЕНЛГ для двигателей самолетов, допускаемых к пассажирским перевозкам. Это программа эквивалентна приблизительно 600-часовой эксплуатационной программе.

Ниже приведено суммарное время наработки на отдельных режимах.

Взлетный 18 ч 45 мин

Максимальный продолжительный 45 ч 00 мин

He менее 15 установившихся режимов работы

через примерно одинаковые по частоте вращения

интервалы между режимом земного малого газа и

максимальным продолжительным режимом. 62 ч 30 мин

Переменные процессы (приемистость, сброс газа

и др.) и земной малый газ 23 ч 45 мин

Пробы приемистости 300

Включения реверса тяги 200

Как видно, доля нагруженных режимов (взлетный и максимальный продолжительный) достаточно велика (42 %), причем взлетный режим в данных испытаниях составляет 12,5 %, в то время как в эксплуатации он не превышает 4 %. Около половины всего времени испытаний (62 ч 30 мин) составляет ступенчатая наработка на различных частотах вращения, цель которой - проверка усталостной прочности.

Переменные процессы, пробы приемистости, пробы запуска, включение реверса тяги соответствуют условиям эксплуатации.

150-часовые испытания проводятся в 25 шестичасовых этапов, которые несколько отличаются режимами работы двигателя. В качестве примера на рис. 6.3 приведен график изменения относительной частоты вращения ротора по времени для одного из этапов. Подобные графики распространены в практике испытаний из-за наглядности. Отметим, что в течение всего этапа испытаний режим работы двигателя многократно изменяется. Поэтому для получения объективных результатов необходимо уделять повышенное внимание точности выхода и поддержания режимов.

В нормативной документации достаточно подробно оговариваются приемы проведения ЭЦИ. Так, проверка работы двигателя осуществляется при разгоне от режима малого газа, а также от режима полетного малого газа до взлетного режима и при сбросе газа (по 150 проб приемистости). При этом перемещение РУД от одного крайнего положения ко второму не должно занимать более 1 с. Фиксируется время приемистости - промежуток времени от момента начала перемещения РУД до достижения двигателем 95 % взлетной тяги. Из 100 запусков, выполняемых при 150-часовых испытаниях, 25 – «холодные», 10 – «горячие» и 10 ложные.

«Холодный» запуск - запуск, осуществляемый не ранее чем через два часа после выключения двигателя. «Горячий» запуск выполняется не позже, чем через 15 мин после выключения двигателя. Ложный запуск - раскрутка ротора двигателя пусковым устройством с подачей топлива в камеру сгорания при выключенной системе зажигания.

Рис. 6.3. Типовой этап программы 150-часовых ЭЦИ

Специально оговорены особенности испытаний с отбором воздуха и с реверсивным устройством. Так, например, предусмотрена работа двигателя в течение 25 % испытаний с включенной противообледенительной системой (ПОС) (на различных режимах), а отбор воздуха на наддув кабины должен производиться непрерывно; выполняется 200 циклов включения реверсивного устройства; проверяется приемистость реверсивной тяге.

За время испытаний должно быть выполнено 100 переключений средств механизации компрессора (поворотных направляющих аппаратов, лент или клапанов перепуска и т.д.).

Самолетные агрегаты, установленные на двигателе, должны работать под нагрузкой.

Для ТВД специально предусматриваются приемы проверки работоспособности винта (50 изменений шага лопастей винта при переводе двигателя с режима малого газа на взлетный режим и обратно, 10 вводов лопастей во флюгерное положение, 200 вводов лопастей в положение реверсирования тяги и обратно и др.).

Особое внимание уделено работе масляной системы. Так, один из этапов должен выполняться при минимальном давлении масла, или при работе на нагруженных режимах масло должно иметь максимальную допустимую температуру и т.д.

В ЕНЛГ оговаривается ряд общих требований к проведению 150-часовых испытаний, которые являются характерными и для других видов летательных и эквивалентно-циклических испытаний.

Перед испытаниями должны быть выполнены тщательный контроль элементов двигателя и проверка соответствия их технической документацией, а также проверена работа агрегатов и их характеристики.

Двигатель собирается в соответствии с технической документацией в той же компоновке, что и для эксплуатации. Проводятся сдаточные, а затем контрольные испытания, в процессе которых двигатель «настраивается» на параметры, соответствующие ТУ. Проверяются пусковые свойства двигателя, определяются дроссельные характеристики. Составляется акт сдачи, после чего двигатель может быть предъявлен на ЭЦИ.

Перед началом и после окончания испытаний проверяется работа двигателя на режиме малого газа непрерывно в течение максимально заявленного времени, а также готовность срабатывания систем аварийной защиты, сигнализации и диагностических устройств, имеющихся на двигателе. При проведении испытаний обслуживание двигателя и его агрегатов должно производиться в соответствии с руководством по обслуживанию (РО). Во время проведения предусмотренных РО регламентных работ должен использоваться только инструмент, входящий в бортовой комплект. После окончания испытаний повторно определяются дроссельные характеристики двигателя. Проводится наружный осмотр двигателя и его агрегатов. Затем агрегаты снимаются с двигателя, и осуществляется проверка их характеристик. Производится разборка двигателя с дефектацией и микрометрическим обмером деталей с целью определения износа, деформаций, вытяжки и др. Выполняется также проверка градуировки контрольно-измерительной аппаратуры.

Для установления начального назначенного ресурса двигателя проводятся ЭЦИ узлов и основных деталей и двигателя в целом путем многократного выполнения испытательных циклов, сформированных на основе полетного цикла. Испытания узлов и деталей проводятся, как правило, в системе двигателя, и эти испытания могут совмещаться с испытаниями двигателя в целом. Однако допускается проведение испытаний отдельных узлов и деталей на автономных установках при условии нагружения по малоцикловой усталости, эквивалентного рабочим условиям.

При проведении ЭЦИ деталей двигателя при необходимости производятся их осмотр, разборка двигателя, замена дефектных деталей, проведение предусмотренных при ремонтах доработок. Число осмотров, как и время между ними, не регламентируется.

Долговечность узлов и деталей устанавливается по наработке в часах и в испытательных циклах N_и в пределах фактически проведенных с положительными результатами ЭЦИ. Назначенные ресурсы N_и в полетных циклах определяются по формуле N_и=N_и x/h_и, где x - коэффициент соответствия испытательного и полетного циклов; h_и - коэффициент запаса, значение которого зависит от числа экземпляров испытанной детали или узла n_и , h_и=3 при n_и=1; h_и=2,5 при n_и =2 и h_и=2 при n_и³3.

Запас берется по отношению к минимальному значению N_и, установленному в испытаниях: Начальный назначенный ресурс двигателя должен быть равен минимальному значению назначенного ресурса основных деталей, не подлежащих замене. Он устанавливается (в часах и циклах) на основании ЭЦИ одного двигателя с запасом по числу испытательных циклов 1,2.

После испытаний проводятся разборка и дефектация двигателя.

Испытания квалифицируются как успешные, если при их проведении не было разрушений роторных деталей, а также отказов и дефектов других основных деталей, которые в эксплуатационных условиях могут привести к отказам с опасными последствиями.