МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РЫБИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АВИАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

им. П.А. Соловьева

С. П. Кузнецов

Испытания и обеспечение надежности газотурбинных двигателей

конспект курса лекций

(аудиторные занятия)

Для специальности 160301 – Авиационные двигатели и энергетические установки.

Рыбинск

2009

УДК 621.438

Кузнецов С.П. Испытания и обеспечение надежности газотурбинных двигателей: конспект лекций: – Рыбинск: РГАТА, 2005 – 180 с.

Рецензенты: кафедра «Авиационные двигатели» Рыбинской Государственной Авиационной Технологической Академии;

Кандидат технических наук, заместитель начальника отдела исследований надежности ОАО «НПО «Сатурн» С.В. Сарычев.

Конспект лекций предназначен для студентов старших курсов, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов 65200 – Двигатели летательных аппаратов и специальности 163301 – Авиационные двигатели и энергетические установки, для инженеров, работающих на моторостроительных предприятиях, в НИИ и ОКБ, а также инженеров, обучающихся на факультетах повышения квалификации.

ISBN  Кузнецов С.П. 2009

Оглавление

Введение……………………………………………………………………....	6
Лекция 1. Обеспечение надежности ГТД…	10
1.1. Испытания как средство обеспечения надежности ГТД .……	10
1.2. Виды работ и программы по созданию надежных ГТД ……..	11
1.3. Структура работ по обеспечению надежности ГТД ………….	12
1.4. Испытания на надежность ………………………………………	15
Лекция 2. Виды и назначение испытаний ГТД…	23
2.1. Режимы работы ГТД ....…………………………………………	23
2.2. Категории и виды испытаний, термины и определения…….	28
2.3. Этапы и виды работ при создании ГТД ………………………	36
2.4. Испытания проводимые на этапе НИР…………………………	38
2.5. Испытания проводимые на этапе ОКР…………………………	41
2.6. Испытания проводимые на этапе серийного производства…	43
Лекция 3. Классификация испытаний ГТД…	46
3.1. Правила испытаний и приемки двигателей………………….	46
3.2. Испытания по определению параметров и характеристик ГТД	52
3.3. Основные положения методики обработки результатов испытаний и определения характеристик ГТД …………….	54
3.4. Основные положения методики приведения основных параметров ГТД к стандартным атмосферным условиям…..	63
3.5. Испытания по определению и проверке прочностных характеристик ГТД ..…………………………………………...	68
3.6. Испытания по определению ресурсных характеристик ГТД	73
3.7. Специальные испытания ГТД…………………………………...	77
Лекция 4. Испытательные станции и стенды для испытаний ГТД…	81
4.1. Структура испытательной станции…………………………..	82
4.2. Испытательные стенды, основные требования, схемы……..	83
4.3. Летные испытания, типовые летные испытания, особенности и основные требования, летающие лаборатории	93
4.4. Общие сведения и требования к летающим лабораториям...	95
Лекция 5. Испытания ГТД различных схем…	101
5.1. Принципы подхода к подготовке программы испытаний	101
5.2. Особенности испытаний ДТРД………………………………….	105
5.3. Особенности испытаний ТРДФ………………………………….	107
5.4. Особенности испытаний ГТД с реверсом тяги………………	109
5.5. Особенности испытаний ГТД с отклоняемым вектором прямой тяги……………………………………………………………	111
5.6. Особенности испытаний турбовальных и турбовинтовых ГТД, эквивалентная мощность, требования к стенду………….	112
5.7. Особенности испытаний ПВРД…………………………………	116
Лекция 6. Испытания узлов ГТД…	118
6.1. Испытания компрессора (вентилятора)……………………...	118
6.2. Испытания основной камеры сгорания………………………	119
6.3. Испытания турбины……………………………………………...	121
6.4. Испытания систем автоматического управления (САУ)……	124
6.5. Исследования шума генерируемого компрессором и соплом двигателя ...…………………..…………………………	125
6.6. Испытания редукторов……...……………………………………	126
6.7. Испытания стартеров…………………………………………….	127
6.8. Испытания насосов и форсунок…………………………………	128
6.9. Испытания топливорегулирующей аппаратуры…………….	129
Лекция 7. Измерение параметров ГТД при испытаниях…	132
7.1. Методика измерения параметров……………………………..	132
7.2. Обработка параметров измеренных в процессе испытания...	133
7.3. Общие сведения об измерениях и приборах для измерений.	136
7.4. Измерение давлений……………………………………………...	138
7.5. Приборы для измерения давлений……………………………	140
7.6. Измерение температур…………………………………………...	143
7.7. Приборы для измерения температур…………………………	143
7.8. Измерение расхода топлива……………………………………..	145
7.9. Приборы для измерения расхода топлива…………………...	146
7.10.Измерение расхода воздуха……………………………………..	146
7.11.Измерение скорости потока жидкости и газа……………….	147
7.12.Измерение крутящего момента…………………………………	149
7.13.Измерение частоты вращения…………………………………..	151
7.14.Измерение вибраций…………………………………………….	151
7.15.Измерение напряжений в элементах ГТД……………………	152
7.16.Методы контроля состояния и обнаружения дефектов в ходе испытаний ГТД…………………………….…………….	154
7.17. Измерение эмиссионных характеристик ГТД…………………
Лекция 8. Система сбора и обработки информации при испытаниях ГТД, автоматизация испытаний…	156
8.1. Типовое решение…………………………………………………	156
8.2. Измерительно-вычислительный комплекс (ИВК)…………..	159
Список литературы…………………………………………………………	162

Введение

Постоянно возрастающие требования к тактико-техническим характеристикам летательных аппаратов различного назначения, к ресурсным и потребительским характеристикам газотурбинных энергоустановок и агрегатов и т.п. приводит к существенному усложнению конструктивных схем силовых установок и двигателей, а также к значительной интенсификации параметров рабочего процессе в двигателе. На пути решения задач по созданию новых двигателей, их доводке и серийному выпуску совершенствуются методы и средства проектирования и конструирования, технологические процессы и оборудование для изготовления.

Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Чаще всего под надежностью понимают безотказность и долговечность т.е. возможность работы без отказов и с сохранением заданных свойств при воздействии всех условий эксплуатации, ремонтов, транспортирования и хранения.

Обеспечение надежности – это процесс доводки двигателя, технологического совершенствования производства и эксплуатации, реализация мероприятий по устранению недостатков или дефектов, разрабатываемых на основании объективных результатов испытаний двигателя и его элементов.

Методы обеспечения надежности – это методы проектирования, конструирования, изготовления и обслуживания в эксплуатации.

Методы проверки уровня надежности – это методы обеспечение возможности оценки эффективности мероприятий по доводке, проверки качества изготовления или ремонта с использованием специальных средств и приемов, которыми являются испытания.

Испытания как техническое понятие – это проверка в работе.

Следует отметить, что при всем совершенстве известных средств и методов всегда требуется подтверждение теоретических выводов, прогнозов, качества и стабильности производства путем проведения экспериментов и испытаний как на отдельных элементах двигателя так и на двигателе в целом. Постоянно совершенствуется и модернизируется экспериментально-исследовательская и испытательная база, методы и средства проведения и обеспечения исследований и испытаний.

Далеко не всю необходимую для доводки опытного двигателя информацию можно получить расчетными методами, а также всегда возникает необходимость проверки параметров полученных расчетно-аналитическим путем. В обоих этих случаях возникает необходимость проведения испытаний.

Точно также требуется проведение испытаний для оценки работоспособности и долговечности двигателя при воздействии на него внешних факторов и условий, которые обусловлены областью применения и эксплуатации двигателя.

В процессе производства двигателей порой возникает необходимость внесения изменений в конструкцию отдельных узлов и систем в связи с реализацией и изменениями в технологических процессах в условиях конкретного производства, что также требует проведения испытаний с целью отладки и подтверждения получения на изготавливаемых двигателях параметров и характеристик соответствующих основным данным и техническому заданию с учетом оценки влияния производственных отклонений.

Кроме того, после ремонта двигателей отработавших ресурс в эксплуатации требуется подтверждение испытаниями восстановления его характеристик и параметров.

Иными словами, необходимость проведения испытаний диктуется требованиями подтверждения установленного конструкторской и нормативной документацией уровня качества и надежности двигателя на всех этапах жизненного цикла.

Все испытания проводятся по программам и методикам, в которых документально устанавливаются цели и задачи данного испытания, последовательность действий и конкретные действия, обеспечивающие получение полного объема информации в установленные промежутки времени с максимальной эффективностью. В указанных документах устанавливаются конкретные требования к испытательному стенду, его оснащению, режимы испытания, требования к системе контроля, сбора и обработки информации.

Режимы испытания устанавливаются в соответствии с режимами эксплуатации двигателя, циклограммой его работы в эксплуатации с учетом возможных нештатных ситуаций и т.п., а выбор этих режимов должен осуществляться из условия минимально необходимого количества с учетом наиболее напряженных по температуре или частоте вращения, на которых вероятнее всего могут возникнуть повреждения элементов двигателя.

В практике доводки двигателей имеют место ситуации, когда требуется оценить характеристики отдельных узлов и двигателя в целом, но без каких-либо специальных устройств и средств только лишь с помощью воздействия на количество подаваемого топлива или на изменение мощности привода сделать это не удается. Например, оценка запасов по газодинамической устойчивости, определение границы срыва, определение характеристик камеры сгорания и фактической эпюры температурного поля на входе в турбину и т.п. Для решения этих и подобных задач должно быть подготовлено специальное оборудование, которым оснащается испытательный стенд, но это оборудование при создании требуемых условий испытания не должно оказывать на объект испытания воздействий, отличающихся от эксплуатационных.

В случаях, когда не представляется возможным воспроизвести на стенде внешние условия, оценки характеристик двигателя проводятся расчетно-аналитическим путем, а испытания двигателя проводятся либо в составе летательного аппарата или другого объекта либо в составе летающей лаборатории или в условиях реальной эксплуатации.

В мировой и отечественной практике на всех ведущих двигателестроительных предприятиях и фирмах созданы и постоянно совершенствуются испытательные и лабораторные стенды. Давно установлено, что создание стендов для испытаний и исследований двигателей и их узлов достаточно сложная техническая задача, требующая, кроме того, значительных финансовых и трудовых затрат. Для того, чтобы на испытательном стенде иметь возможность воспроизводить реальные внешние эксплуатационные условия (например, по высоте и скорости полета, влажности, атмосферным температуре и давлению и др.) требуется весьма значительная энергообеспеченность.

Основные требования предъявляются сегодня к стендовым системам измерений и контроля параметров, сбора и обработки получаемой при испытаниях информации. Это, в свою очередь, обусловливает требования к средствам и приборам для измерений, точности измерений. В современных условиях система измерений, сбора и обработки информации, входящая в состав измерительно-вычислительного комплекса и взаимодействующая с системой автоматического управления должна обеспечивать реализацию своих функций в масштабе реального времени с предоставлением достоверных результатов в темпе эксперимента, а также метрологическую оценку.

Для проведения испытаний, в ходе и после завершения которых выполняется сложная математическая обработка полученной информации предпочтительней всего использовать устройства сбора данных в стандарте на контрольно-измерительную и управляющую аппаратуру высшего класса точности (VME/VXI). Однако при экспериментальных и опытных работах в ряде случаев применяются и традиционные средства измерений (пьезометры, весовой способ определения расхода жидкости и др.), позволяющие оценить характеристики малой величины.

Испытания газотурбинных двигателей это специальный раздел в инженерной деятельности, объединяющий технические и методические стороны процесса «экспериментального определения характеристик и свойств объекта в соответствии с действующей нормативно-технической документацией» (ОСТ 102525-84).

За последние несколько десятилетий испытания двигателей как самостоятельная дисциплина непрерывно развиваются и совершенствуются вместе с развитием и совершенствованием двигателей, всё возрастающими требованиями к параметрам двигателя, методам их оценки, объемам необходимых проверок. Созданы и реализуются в практике создания двигателей, их изготовления, испытаний и исследований математический аппарат, программное обеспечение и аппаратные средства. Однако развитие

методов и приемов испытаний и исследований было бы затруднено или даже порой невозможно без использования накопленного богатого опыта и методического материала. К настоящему времени уже сформировались современные принципы и методы проведения испытаний, состав и типы применяемого испытательного оборудования, а также методы и средства сбора и обработки получаемой при испытаниях информации. Все это реализовано и реализуется на ведущих двигателестроительных предприятиях и фирмах у нас в стране и за рубежом при создании, серийном производстве и эксплуатации двигателей новых поколений.

Современное состояние, основные пути и методы развития как процесса испытаний, так и элементов и средств, обеспечивающих реализацию задачи проведения испытаний, изложены в конкретных главах и разделах этой книги.

Лекция 1. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ГТД.