Доводочные и специальные испытания

Первые экземпляры нового двигателя по основным показателям эффективности и прочности обычно значительно отличаются от соответствующих проектных величин, записанных в технических условиях. ; Выйти на заявленные величины по параметрам. во всех условиях эксплуатации и по ресурсу удается только после тщательной экспериментальной отработки - газодинамической и прочностной доводки, для чего обычно требуется провести испытания нескольких десятков двигателей с выполнением на них до сотни разнообразных экспериментальных программ.

Доводочные испытания в основном проводятся на полноразмерном двигателе, поскольку даже детальные узловые испытания не позволяют в полной мере отразить все особенности работы элементов в системе двигателя. В частности, нередки случаи, когда при узловых испытаниях получены достаточно высокие, практически расчетные значения КПД большинства элементов, а двигатель в целом показывает значительное превышение по сравнению с расчетом удельного расхода топлива или температуры газа перед турбиной. Выявить и устранить неблагоприятные вторичные эффекты, связанные с взаимовлиянием элементов, можно только испытаниями двигателя.

В начальный период доводки область рабочих режимов двигателя и длительность работы, в особенности на напряженных режимах, ограничиваются по соображениям прочности, надежности, газодинамической устойчивости, снижены предельно допустимые значения частоты вращения роторов, давлений и температур газа в проточной части, ограничены темп изменения режимов, время непрерывной работы, общий ресурс. Эти ограничения постепенно снимаются по мере наработки двигателя, выявления и устранения слабых мест. Появляется возможность работы двигателя во всех регламентированных условиях в полном диапазоне режимов и в течение времени, достаточного для выполнения программы.

Газодинамическая доводка - это комплекс экспериментальных, конструкторских и технологических работ, направленных на достижение записанных в технических условиях (ТУ) показателей по тяге (мощности), экономичности и газодинамической устойчивости на стационарных режимах и в переходных процессах.

В процессе газодинамической доводки двигателя необходимо решить множество разнообразных задач, в частности:

- отработать запуск двигателя, найти рациональную настройку элементов топливной автоматики, обеспечивающую плавный, без зависаний и недопустимого заброса температуры газа выход двигателя на режим малого газа за заданное техническими требованиями время. В процессе этой работы могут потребоваться мероприятия по увеличению запасов газодинамической устойчивости в области малых частот вращения;

- обеспечить выход элементов двигателя при их совместной работе на расчетные или оптимальные режимы, например на проектные частоты вращения роторов, заданную степень повышения давления воздуха в вентиляторе, расчетную линию рабочих режимов компрессора и т.п. Здесь может выявиться целесообразность корректирования площади сопловых аппаратов турбины, сопла, смесителя двухконтурных ВРД;

- отработать взаимодействие элементов и систем при переменных процессах - приемистости, дросселировании, включении и выключении форсажа; обеспечить устойчивую работу двигателя и отсутствие недопустимых колебаний параметров;

- определить зависимость параметров двигателя от положения штатных регулируемых элементов и уточнить предварительно выбранные программы регулирования поворотных направляющих аппаратов компрессора, площади сечения реактивного сопла и т.п.;

- определить фактические запасы газодинамической устойчивости с помощью воздействия как штатными органами регулирования, так и специальными технологическими узлами и стендовыми устройствами;

- уточнить выбранные законы управления и ограничения режимов, параметры настройки системы автоматического управления.

Эффективность всех вводимых мероприятий по улучшению параметров двигателя определяется, в первую очередь, контролем его дроссельной стендовой характеристики. Дроссельная характеристика двигателя, в частности изменение таких параметров, как удельный расход топлива и температура газа перед турбиной по тяге, является наиболее объективным показателем эффективности узлов и согласования их работы в системе двигателя. Стендовую дроссельную характеристику определяют практически при каждом испытании опытного двигателя, если только этому не препятствует специфика выполняемой программы или компоновки двигателя и оборудования.

Перечисленные виды доводочных испытаний проводятся в основном на обычных заводских стендах; для некоторых из них может потребоваться стенд с подогревом воздуха на входе.

Ряд доводочных работ требует проведения испытаний опытного двигателя на высотных стендах, где имитируются условия работы двигателя в высотно-скоростных условиях. Обычно в технических требованиях заказчика задаются параметры двигателя - тяга и удельный расход топлива - в нескольких условиях по высоте и скорости (числу М) полета.

Целью доводочных испытаний на высотном стенде являются:

- определение высотно-скоростных характеристик в эксплуатационной области полета, в первую очередь основных данных на заявленных режимах;

- оптимизация совместной работы элементов, в частности скольжения роторов с помощью штатных органов управления с целью увеличения тяги на максимальных и форсированных режимах и снижения удельного расхода топлива на заявленных крейсерских режимах;

- подбор оптимального по тяге двигателя распределения топлива по сечению форсажной камеры;

- определение потребных для выполнения технических требований значений температуры газа, частоты вращения, скольжения, коэффициента избытка воздуха и их изменения по режимам полета;

- уточнение программы работы системы автоматического управления (САУ), а также методики отладки двигателя на стенде, необходимой для выполнения этих программ;

- определение границ надежного запуска с режима авторотации по высоте и числу М, проверка надежности розжига форсажной камеры в высотных условиях, устойчивости горения, управляемости двигателя во всем диапазоне режимов.

По результатам каждого из таких испытаний выявляется целесообразность каких-либо доводочных работ, иногда серьезных конструктивных изменений, чаше изменений настройки системы управления, стендовой отладки, ограничений по параметрам и режимам. Повторные испытания на высотном стенде обычно назначаются после внедрения некоторого комплекса мероприятий - перехода к новой партии (серии, редакции).

После прохождения определенного цикла испытаний на высотном стенде могут быть начаты летные испытания.

Прочностная доводка, целью которой является обеспечение надежной работы двигателя в течение установленного ресурса, включает в себя следующие испытания:

- определение уровня переменных напряжений в лопатках, дисках, валах компрессора и турбины; проверка отсутствия автоколебаний лопаток компрессора (вентилятора);

- термометрирование деталей горячей части с целью проверки возможности работы при требуемой температуре газа; определение осевых сил, действующих на подшипники ротора; определение температурного состояния подшипников;

- определение уровня вибраций на корпусе двигателя и на установленных на нем агрегатах; тензометрирование трубопроводов внешней обвязки двигателя;

- ресурсные испытания, в процессе которых проверяется работоспособность двигателя в течение ресурса; перечень, последовательность и продолжительность стационарных и переменных режимов при длительных испытаниях выбираются так, чтобы по параметрам и состоянию двигателя на каждом этапе доводки можно было судить о его работе в условиях эксплуатации.

Ресурсные стендовые испытания в ходе доводки проводятся несколько раз. Их программа составляется либо как длительная, соответствующая программе государственных испытаний, либо как ускоренная эквивалентно-циклическая, имитирующая условия эксплуатации, с увеличением доли наиболее напряженных и переменных режимов. Ряд ответственных деталей в процессе доводки проверяется испытаниями в течение двух и трех ресурсов двигателя. Для ускоренного выявления дефектов могут проводиться длительные испытания при значительном превышении температуры газа перед турбиной.

Двигатели сверхзвуковых самолетов часть длительного и эквивалентно циклического испытания проходят на стенде с подогревом воздуха на входе, а иногда - на высотном стенде при предельных для условий эксплуатации значениях температуры и давления воздуха. Это позволяет проверить работу всех систем двигателя на наиболее напряженных режимах по условиям охлаждения деталей горячей части, по аэродинамическим нагрузкам, по устойчивости горения, по возможности возникновения автоколебаний лопаток.

Для того чтобы двигатель мог быть предъявлен на государственные испытания и на сертификацию, он должен успешно пройти целый ряд специальных испытаний.

Для двигателей, предназначенных для гражданских транспортных самолетов, перечень специальных испытаний устанавливается Едиными нормами летной годности (ЕНЛГ). В этот перечень входят определение пусковых свойств и основных характеристик двигателя в стендовых и высотно-скоростных условиях, проверка газодинамической устойчивости, определение вибрационных характеристик, проверка прочности основных роторных деталей и жесткости корпусов, эффективности масляной системы, антиобледенительной системы, системы защиты от помпажа и ряд других испытаний (общее число около 30). Многие из этих программ выполняются разработчиком в процессе доводки и при удовлетворительных результатах могут быть зачтены заказчиком при предъявлении двигателя.

Ряд специальных испытаний в процессе доводки проводится для проверки работы двигателя в экстремальных и нештатных ситуациях. Сюда относятся, например, проверка работы при отказе основной системы управления и переходе на резервные системы, при превышении максимально допустимой температуры газа, максимальной частоты вращения роторов, при максимальной температуре, минимальном давлении или кратковременном прекращении подачи масла, при попадании на вход в компрессор посторонних предметов, проверка на непробиваемость корпусов в случае обрыва лопаток и т.п. Основным требованием к двигателю в этих нештатных случаях является обеспечение безопасности пассажиров экипажа и возможности продолжать полет.

Каждое испытание двигателя должно использоваться для получения информации по возможно большему числу вопросов, решаемых в процессе доводки. Так, практически на каждом стендовом испытании определяются характеристики в начале и конце работы, отсюда независимо от целей основной программы получаются сведения об уровне и стабильности достигнутых основных данных. В ходе любого испытания ведутся наблюдения за работой масляной системы, за вибрациями корпуса, устойчивостью режима и переходных процессов, за температурой газа и лопаток турбины и т.п. Внимательный анализ всей получаемой информации, особенно прямых и побочных результатов проведенных мероприятий, - важное условие повышения эффективности процесса доводки.

При проведении доводочных испытаний опытного двигателя всегда имеется определенный риск возникновения дефектов в элементах проточной части, трансмиссии, систем, что может привести к аварийным последствиям и выходу из строя дорогостоящего изделия.

Поэтому важно иметь возможность обнаруживать дефекты на ранней стадии их развития; это должно быть учтено в конструкции опытного двигателя. Окна и лючки в корпусе позволяют с помощью эндоскопа осмотреть внутренние полости, лопатки компрессора и турбины, диски, поверхность жаровой трубы, обнаружить трещины, забоины, выгорания, отслаивание покрытий. Дефекты трансмиссии, подшипников, шестерен могут быть своевременно замечены, если маслосистема оборудована штатными или стендовыми (технологическими) сигнализаторами стружки и металлических включений. Контроль давления воздуха и газа в разгрузочных и межлабиринтных полостях позволяет выявить повреждения или износ уплотнений и указать на возможное возрастание осевых усилий на роторе. Хорошая оснащенность двигателя контрольными и диагностическими средствами позволяет во многих случаях предотвратить серьезные повреждения и тем сэкономить время и средства на доводку.

Очень полезным бывает применение в доводочных испытаниях специальных технологических узлов двигателя, в особенности при проведении оптимизации параметров и режимов работы элементов. Сюда относятся, например, поворотные (переставные) направляющие аппараты вместо неподвижных штатных, смеситель с регулируемым выходным сечением, поворотные насадки и гребенки для измерения давлений и температур потока, секционные топливные коллекторы форсажной камеры с возможностью перераспределения расхода топлива по сечениям и т.п. Сокращает время работы возможность дистанционной, без остановки двигателя, регулировки элементов системы автоматического управления, установленном на двигателе. Очень полезны испытания двигателя с технологической «развязанной» системой электронной автоматики, позволяющей с пульта менять не только настройку, но и программы и структуру контуров. В одном таком испытании можно проверить различные законы управления, подобрать оптимальные параметры элементов автоматики.

После реализации и экспериментальной проверки доводочных мероприятии определяется окончательная компоновка двигателя, удовлетворяющая по основным показателям ТУ заказчика. В зависимости от того, насколько существенны внесенные на завершающем этапе изменения, по согласованию с заказчиком устанавливается перечень специальных испытаний и проверок, которые необходимо повторить в окончательной компоновке двигателя.

Завершением доводки является проведение длительных чистовых испытаний, представляющих по существу репетицию предстоящих государственных стендовых испытаний. Успешное проведение чистовых испытаний и удовлетворительное состояние деталей после испытания дает основания официально предъявить двигатель Государственной комиссии. К моменту предъявления двигателя на государственные испытания суммарная наработка двигателей обычно составляет не менее 10...15 тыс. часов, в том числе до 2...4 тыс. часов в полете. Если причины всех выявлявшихся отказов установлены и устранены, при такой наработке могут быть достигнуты требуемые нормами показатели надежности и безотказности двигателя.