Общая характеристика видов испытаний
 Скачать 4.13 Mb.
|
|
Специальные стендовые испытания двигателей. 32.1 Проверка на прочность и определение вибрационного состояния деталей, узлов и двигателя в целом. К этому виду испытаний относятся испытания по определению вибрационных характеристик двигателя; проверке корпусов на прочность, жесткость, циклическую долговечность; определению последствий разрушения лопаток компрессора и турбины и проверке прочности лопаток вентилятора; проверке роторов двигателя на прочность; проверке работоспособности ТВД со свободной турбиной при повышенном крутящем моменте; проверке работоспособности двигателя при повышении максимальной частоты вращения ротора; проверке гидравлических и пневматических коммуникаций на герметичность и прочность и др. Задачей испытаний по исследованию вибрационных характеристик двигателя является проверка того, чтобы во всем диапазоне частот вращения отсутствовали бы опасные по условиям прочности вибрационные напряжения. Для определения вибрационных характеристик применяются вибрографирование и тензометрирование деталей двигателя. В последнее время стали использоваться для этих целей также методы голографии. Обязательному тензометрированию подлежат рабочие и направляющие лопатки всех ступеней компрессора и рабочие лопатки турбины, диски турбины и компрессора, валы роторов и воздушных винтов, трубопроводы. Исследуется влияние на уровень вибрационных напряжений таких факторов, как неравномерность полей полных давлений на входе в двигатель, изменение положения средств механизации компрессора (для рабочих лопаток компрессора), окружная неравномерность температуры газа перед турбиной, отбор воздуха за компрессором, действие реверсивного устройства (для рабочих лопаток турбины). Исследуется также влияние высотно-скоростных условий. Если будут обнаружены вибрации повышенного уровня, то достаточная вибрационная прочность должна быть подтверждена другими (например, резонансными) испытаниями. Для многовальных двигателей часть испытаний по определению вибрационных характеристик внутренних каскадов может выполняться на однокаскадном газогенераторе с последующей выборочной проверкой отдельных ступеней на двигателе полной компоновки. Корпусные узлы современного двигателя подвергаются большим статическим нагрузкам от сил давления, осевых усилий (тяги) и крутящих моментов, а также от сил инерции, связанных с эволюциями самолета. Поэтому эти узлы подвергаются статическим испытаниям при воздействии расчетных эксплуатационных нагрузок или испытаниям до разрушения при воздействии нагрузок, увеличенных на соответствующие коэффициенты запасов прочности. Испытания могут проводиться как на двигателе в целом, так и на отдельном корпусе, в котором должны быть установлены направляющие аппараты компрессора и сопловые аппараты турбины в сборке с ложным ротором. Узлы и трубопроводы всех коммуникаций, кроме масляных (исключая насосы, фильтры и другие элементы, подвергающиеся испытаниям в процессе их изготовления), испытываются под давлением, превышающим в 1,5 раза максимально возможное рабочее или в два раза нормальное рабочее в зависимости от того, какое из них больше. Элементы масляных коммуникаций должны испытываться под давлением, превышающим максимально возможное не менее чем в три раза. Специальными испытаниями проверяется работоспособность двигателя при повышенной частоте вращения ротора - 103 % максимальной с суммарной наработкой 15 мин (циклами по 3 мин с выдержкой между циклами в течение 2,5 мин). Температура газа в испытаниях должна быть равна максимально возможной в эксплуатации. Для достижения этого допускается применение специальных средств (например, изменение площади реактивного сопла). Данные испытания должны показать, что при возможных в эксплуатации превышениях частоты вращения выше максимальной не возникнут предпосылки к отказам с опасными последствиями, а также подтвердить после дефектации возможность дальнейшей эксплуатации двигателя. При недостаточных запасах прочности или при использовании принципиально новых конструктивных решений, материалов, технологии проводятся специальные испытания по проверке роторов на статическую прочность при повышенных частотах вращения: 120 % максимального значения или 105 % наибольшей, которая может иметь место при отказе какого-либо элемента двигателя. Эти испытания могут проводиться или на двигателе (при этом частота вращения снижается до 115 %), или на разгонном стенде. Время испытаний - 5 мин, температура должна соответствовать наиболее неблагоприятной, которая возможна в эксплуатации. Специальными испытаниями должно быть показано, что при обрыве лопатки компрессора или турбины удерживаются корпусом двигателя и возникающие при этом вторичные эффекты не могут привести к отказам с опасными последствиями. Предварительно выявляется наиболее критичная с точки зрения возможности обрыва и возможности повреждения двигателя неуравновешенной силой ступень компрессора или турбины, а также определяется максимальное время, потребное для выключения двигателя после обрыва лопатки в эксплуатационных условиях (но не менее 15 с). При испытаниях должен происходить обрыв одной лопатки компрессора или турбины при максимально возможной частоте вращения ротора. Для этого ее замок специально ослабляется (подрезается). Двигатель после обрыва должен проработать при неизменном положении РУД в течение ранее установленного времени или до самовыключения. Лопатки вентилятора вследствие их повышенной массы не могут быть удержаны корпусом, поэтому к ним предъявляются повышенные требования в отношении прочности. Это устанавливается на основании результатов длительных и эквивалентно-циклических испытаний, специальных испытаний по определению вибрационных характеристик и исследованию воздействия на работу двигателя попадания во входное устройство посторонних предметов, а также по результатам анализа эксплуатации двигателя. 33.2 Определение теплового состояния элементов двигателя и проверка его надежности при повышенных температурах. К этой группе испытаний можно отнести испытания по термометрированию основных элементов двигателя; проверке работоспособности двигателя при максимально возможных в эксплуатации значениях температуры газа перед турбиной и частот вращения роторов («горячие испытания»); проверке роторов при повышенной температуре газа перед турбиной; проверке системы защиты от перегрева турбины и др. Термометрирование основных элементов двигателя производится с целью определения их действительной температуры и выявления мест недопустимого перегрева. Обязательному термометрированию подлежат: а) по турбине - рабочие и сопловые лопатки, диски каждой ступени, опоры роторов, детали корпуса, определяющие прочность и радиальные зазоры между корпусом и лопатками; б) по камере сгорания - кожух, стенки фронтового устройства и жаровых труб; в) по компрессору - корпуса, диски и другие элементы последних ступеней, если они выполнены из сплавов на основе титана. Испытания должны проводиться на установившихся и переменных режимах с возможным неблагоприятным сочетанием режимных и внешних параметров (максимальные значения частоты вращения и температуры воздуха на входе и температуры газа перед турбиной; наиболее неблагоприятный отбор воздуха за компрессором и т.д.). Должно быть определено поле температур газа в окружном и радиальном направлениях в сечениях на выходе из камеры и за турбиной. В последнем случае должна быть предварительно разработана методика оценки по полученным данным температурного поля перед турбиной. Допускается часть испытаний по камере сгорания проводить на я лабораторных установках. В двигателях двух- и трехвальных схем, допускается выполнять термометрирование узлов и деталей горячей части на специальных установках. Способы измерения температур (в основном с помощью термопар) должны обеспечивать точность ±1,5-2 %. Для термометрирования труднодоступных мест могут быть использованы термокраски при обеспечении точности ±8 %. Для некоторых двигателей максимальные значения температуры газа и частот вращения роторов в эксплуатации могут превышать значения, реализуемые на взлетном режиме в ходе 150-часовых стендовых испытаний. Причиной этого могут быть повышенные значения М или температуры окружающего воздуха, широкий допуск на расход топлива, большие высоты расположения аэродромов, неравномерность поля скоростей потока на входе в двигатель и др. Если прогнозируемые превышения достаточно велики (по температуре газа свыше 20 С и частоте вращения более 1,5 %), то проводятся «горячие» испытания при достигаемых значениях Т*г и n. Длительность испытаний должна составлять не менее 75 ч, а суммарная наработка при максимальных значениях Т*г и n, возможных в эксплуатации, должна быть равна суммарной наработке на взлетном режиме в 150-часовых испытаниях. Для достижения требуемых значений Т*г и n, а в некоторых случаях *т, могут применяться технологические сопла, сопловые аппараты с различной площадью проходного сечения, подогрев воздуха на входе, перепуск части воздуха, дросселирование потока на входе и др. Проводятся также испытания двигателя при температуре газа перед турбиной, превышающей не менее чем на 45 °С максимальную температуру газа на взлетном режиме для ожидаемых условий эксплуатации, при частоте вращения, соответствующей взлетному режиму, в течение 5 мин. Эти испытания могут быть заменены «горячими» испытаниями, если будет доказано, что последние являются более жесткими или по крайней мере эквивалентны рассмотренным. Данный цикл испытаний дополняется испытаниями по проверке системы защиты турбины от перегрева на режимах, где система регулирования поддерживает максимальные значения Тг. Должно быть показано, что ложные срабатывания системы защиты маловероятны. После испытаний при повышенных температурах проводится дефектация деталей с целью установления их пригодности для дальнейшего использования. 34.3 Проверка надежности систем двигателя и определение их характеристик. Специальными испытаниями проверяются эффективность противообледенительной системы (ПОС), работа пусковой системы и характеристики запуска двигателя в земных и высотных условиях, работа топливной системы и системы автоматического регулирования (САР), характеристики масляной системы, В результате проверки ПОС двигателя должна быть подтверждена ее работоспособность вместе с элементами средств ее управления и контроля, а также должно быть показано, что включение ПОС не оказывает недопустимого влияния на параметры двигателя, т.е. не происходит недопустимого уменьшения тяги или увеличения температуры газа и уровня вибраций, не возникает механических повреждений и ухудшения управляемости двигателя. Проверка производится на всех режимах работы двигателя в наземных и летных условиях, причем допускается ее производить в сухом воздухе. Работоспособность ПОС оценивается, например, по параметрам, характеризующим тепловое состояние обогреваемых элементов двигателя. В испытаниях определяются также параметры двигателя при включенной ПОС. Целью проверки пусковых свойств двигателя является подтверждение того, что пусковая система обеспечивает надежный запуск двигателя во всех ожидаемых условиях эксплуатации и что при этом обеспечивается пожарная безопасность эксплуатации самолета. Проверка проводится наземными и летными испытаниями. При этом оцениваются параметры двигателя и системы запуска при «холодных» и «горячих» запусках на земле. При нормальном запуске процесс раскрутки ротора от неподвижного состояния (или режима авторотации) до режима малого газа должен выполняться за ограниченное время (1...2 мин) с сохранением других параметров (таких, например, как температура газа, запас устойчивости) в пределах нормы. Пусковые свойства проверяются при «холодном» и «горячем» запусках на земле. В летных условиях производится проверка пусковых свойств с режима авторотации и при подкрутке ротора пусковым устройством. Оценивается влияние на пусковые свойства таких факторов, как температура и давление атмосферного воздуха, ветровых условий, допускаемых отклонений в регулировке пусковой аппаратуры и в параметрах энергопитания пусковых устройств. Пожарная безопасность проверяется в результате выполнения повторных запусков, ложных запусков. При ложном запуске обеспечивается раскрутка ротора пусковым устройством с подачей топлива в камеру сгорания при выключенной системе зажигания. Проверка пусковых свойств двигателя проводится как на наземных стендах, так и в термобарокамере с имитацией 'высотно-скоростных условий. При проверке топливной системы и САР двигателя должна быть подтверждена работоспособность двигателя при установленной тонкости очистки топлива, использовании резервных топлив, изменении температуры и давления топлива в ожидаемом в эксплуатации диапазоне. Должно быть установлено, что в агрегатах топливной системы не возникает кавитационная эрозия, а также что дренажные устройства и система для сбора и утилизации жидкого топлива при ложном или неудавшемся запуске имеют достаточный объем и обеспечивается нормальное функционирование системы опорожнения и возврата топлива. Проверяется также работа САР, оцениваемая по точности поддержания в заданных пределах установившихся режимов работы двигателя и обеспечению переходных режимов без недопустимого превышения, колебаний или провала регулируемых параметров; по стабильности срабатывания ограничителей температуры газа, частоты вращения, давления воздуха за компрессором и др. Большой объем испытаний проводится для определения характеристик масляной системы. Так, на основных режимах (взлетный, максимальный продолжительный, промежуточный, малого газа) при различных температурах и давлениях масла определяются прокачка масла и теплоотдача в масло, причем измерения производятся через 5 мин после выхода двигателя на заданный режим. При различных условиях при запуске, работе на установившихся режимах, выбеге ротора после выключения и т.д.) производится проверка ухода масла в двигатель из масляного бака. Термометрируются детали двигателя, омываемые маслом (стенки масляных полостей опор роторов, наружные кольца подшипников, стенки трубопроводов суфлирования), измеряются температурой масла на входе и выходе из средней и задней опор и температурой воздуха на выходе из суфлера. Эти измерения выполняются на основных установившихся режимах, а также в течение одного часа после выключения двигателя, в различных условиях. В испытаниях контролируются параметры, характеризующие работу масляной системы (перепады давлений на фильтрах и на уплотнениях масляных полостей опор, давление воздуха в масляных полостях опор роторов и в системе суфлирования, уровень масла в масляном баке и др.). 35.4 Проверка работоспособности двигателя при различных видах внешних воздействий. К этой группе испытаний относятся испытания по проверке двигателя на достаточность запаса газодинамической устойчивости, проверке работоспособности двигателя при попадании в воздухозаборник посторонних предметов, а также работы двигателя имитацией режима авторотации и при обдуве воздушным потоком. Сюда могут быть отнесены также испытания по определению высотно-скоростных характеристик двигателя. Проверка достаточности запаса газодинамической устойчивости двигателя осуществляется на установившихся и переходных режимах (приемистость, сброс газа и т.д.). Как правило, испытания проводятся в стендовых условиях. В случае необходимости может быть использована компоновка двигателя с натурным воздухозаборником и прилегающими элементами самолета. В отдельных случаях испытания проводятся на высотном стенде с имитацией высотно-скоростных условий. Настройка автоматики двигателя и проходные сечения сопловых аппаратов должны быть подобраны таким образом (в пределах допусков), чтобы обеспечивался минимально допустимый коэффициент запаса газодинамической устойчивости Ку. Проверка осуществляется путем создания на входе в двигатель неоднородностей потока (поле скоростей, пульсации), характерных для наиболее неблагоприятных условий эксплуатации, с одновременным воздействием на регулируемые элементы двигателя (площадь критического сечения сопла, углы установки поворотных аппаратов и др.). В результате испытаний должна быть подтверждена газодинамическая устойчивость двигателя при возможных уровнях возмущений, а также показана его работоспособность при возникновении неустойчивой работы. Наиболее часто попадающими во входное устройство предметами являются птицы и атмосферные осадки (дождь, град). При испытании забрасывание посторонних предметов во входное устройство осуществляется пневматической пушкой. Скорость забрасывания птиц и града должна соответствовать максимальной скорости самолета при взлете или наборе высоты. Режим работы двигателя, как правило, взлетный или максимальный продолжительный. При попадании крупной птицы (масса не менее 1,8 кг) допускается, что двигатель потеряет работоспособность, однако при этом не должно произойти разрушений с опасными последствиями, так как достоверно известно, что крупная птица может попасть только в один двигатель. Мелкие птицы, град, дождь могут попасть сразу во все двигатели самолета, и поэтому необходимым требованием является сохранение двигателем при этом работоспособности. В частности, при попадании в двигатель дождевой воды, кусков льда и града не должно произойти заклинивания ротора, выключения двигателя, чрезмерного повышения температуры газа перед турбиной или ухудшения тяговых характеристик двигателя. Нормами устанавливается число градин, средних и мелких птиц, которые при испытаниях следует одновременно забрасывать в двигатель в зависимости от площади его входного сечения. Например, число мелких птиц массой до 115 г определяется из условия, что одна птица должна приходиться на каждые 0,032 м2 площади поперечного сечения входа, но не более 16 шт. Число градин определяется из расчета попадания 10 градин диаметром 50 мм и 10 градин диаметром 25 мм на каждый 1 м2 площади входа. При этом допускается потеря 25 % взлетной тяги в течение установленного программой времени (обычно порядка 5 мин). Испытания двигателя в условиях авторотации проводятся для имитации вынужденного отключения его в эксплуатации. При этом отсутствует подача масла в двигатель (имитация повреждения масляной системы). Испытания проводятся в течение времени, необходимого для завершения полета с одним включенным двигателем с половины типичного маршрута или до момента заклинивания ротора. Испытания считаются успешными, если не произошло отказов с опасными последствиями (заклинивание роторов не относится к таким отказам). Проводятся также испытания, которые должны показать, что параметры, двигателя и уровень вибраций лопаток вентилятора или компрессора не выходят за пределы допустимых значений при обдуве его боковым или попутным ветром. Испытания проводятся на открытом стенде или в самолетной компоновке на всех рабочих режимах. Скорость обдува определяется, исходя из возможных условий эксплуатации (максимальная скорость при порывах ветра). |