Стенд для температурных испытаний изделий авиационной техники

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к стендам для температурных испытаний изделий авиационной техники, и может быть использовано при испытаниях камер сгорания, турбин, сопел, малоразмерных авиационных двигателей в стендовых условиях.

Одним из наиболее удобных методов получения рабочей среды с заданными параметрами является подача рабочего воздуха от баллонной батареи с подогревом воздуха в омическом нагревателе. Основными требованиями к конструкции стенда является его надежность, малая тепловая инерционность, технологичность, защита основных систем стенда при возможных разрушениях испытуемого изделия.

Известен стенд для испытаний изделий авиационной техники, содержащий основание, размещенные на нем камеру для испытуемого изделия, трубопровод и компенсаторы температурного расширения трубопровода, выполненные в виде гибких элементов (Э.Л. Солохин «Испытания авиационных воздушно-реактивных двигателей», М., «Машиностроение», 1975 г., стр. 202-203, рис. 5.16). В известном техническом решении компенсаторы расширения трубопровода обеспечивают возможность газодинамических испытаний с обдувом высокоскоростным воздушным потоком, также возможность проведение испытаний на термическую прочность изделий. Недостатком известного технического решения является невозможность проведения испытаний при повышенных температурах, обусловленная перепадом температур по длине трубопровода.

Известен стенд, включающий термобарокамеру, динамометрическую платформу с элементами крепления на ней испытываемого изделия, устройство подвода воздуха с присоединенным трубопроводом для испытания авиационных двигателей и содержащий компенсатор температурного расширения трубопровода (патент РФ №2540202, кл. G01M 15/14, 2015 г.). В известном техническом решении компенсатор представляет собой подвижную опору, закрепленную на динамометрической платформе. Подвижная опора выполнена с двумя узлами крепления, первый из которых содержит вертикальную стойку с опорной поверхностью, размещенную в горизонтальной плоскости трубопровода и контактирующего со стойкой опорного элемента, жестко присоединенного к трубопроводу, а второй узел крепления подвижной опоры содержит вертикальную стойку с гильзой и цилиндрический опорный элемент, жестко связанный с трубопроводом и размещенный с возможностью перемещения в гильзе, причем ось гильзы совмещена с горизонтальной плоскостью трубопровода.

Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемому изобретению является стенд для температурных испытаний изделий авиационной техники, содержащий устройство нагрева рабочей среды, основание, размещенные на нем камеру для испытуемого изделия, трубопровод и защитное устройство, выполненное в виде компенсатора температурного расширения трубопровода (Ю.И. Павлов, Ю.Я. Шайн, Б.И. Абрамов «Проектирование испытательных стендов для авиационных двигателей», М., «Машиностроение», 1979 г., стр. 124-125, рис. 7.11). Стенд обеспечивает возможность нагрева воздуха до 1850 K при давлении p_max=15 МПа. При этом нагревающиеся части установки выполняются из жаропрочной стали, а термическая прочность обеспечивается большой теплоемкостью исследуемой модели с большой толщиной стенок (минимальная толщина 20 мм), что позволяет проводить испытания длительностью до 15 секунд, а компенсатор температурного расширения выполнен в виде сильфонов. Общим недостатком известных технических решений является сложность обеспечения надежности длительного по времени цикла испытаний при разрушении испытуемого изделия или трубопровода, поскольку возникающий в этом случае импульс силы приводит к разрушению стенда.

В основу предлагаемого технического решения поставлена задача повышения надежности стенда.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в компенсации температурных деформаций стенда путем обеспечения свободного перемещения нагревательного устройства при разрушении трубопровода в процессе испытания.

Заявленный технический результат достигается тем, что стенд для испытаний изделий авиационной техники содержит устройство нагрева рабочей среды, основание, размещенные на нем камеру для испытуемого изделия, трубопровод и защитное устройство, выполненное в виде компенсатора температурного расширения трубопровода. Согласно предлагаемому изобретению компенсатор выполнен в виде катковой опоры и шарнирно связанного с ней гидравлического демпфера, содержащего калиброванные отверстия, количество и диаметр которых выбирают исходя из назначенного времени перемещения катковой опоры по следующей зависимости:

где: t - время перемещения катковой опоры, сек;

D - диаметр поршня гидроцилиндра, см;

d - диаметр штока, см;

F - площадь поперечного сечения калиброванного отверстия, мм²;

ΔН - разность напоров между полостями гидроцилиндра, мм вод. ст.;

N - количество дросселирующих отверстий в поршне, шт.;

μ₀=0,8 - коэффициент расхода масла;

g=980 см/сек² - ускорение свободного падения;

ρ=0,8 - относительная плотность масла,

при этом устройство нагрева закреплено на катковой опоре, а стенд снабжен теплозащитными экранами, выполненными в виде обечаек, последовательно установленных внутри трубопровода и образующих канал для рабочей среды.

Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной задачи с достижением заданного технического результата, а именно:

- выполнение, компенсатора в виде катковой опоры и шарнирно связанного с ней гидравлического демпфера, содержащего калиброванные отверстия, количество и диаметр которых выбирают исходя из назначенного времени перемещения катковой опоры по следующей зависимости:

где: t - время перемещения катковой опоры, сек;

D - диаметр поршня гидроцилиндра, см;

d - диаметр штока, см;

F - площадь поперечного сечения калиброванного отверстия, мм²;

ΔН - разность напоров между полостями гидроцилиндра, мм вод. ст.;

N - количество дросселирующих отверстий в поршне, шт.;

μ₀=0,8 - коэффициент расхода масла;

g=980 см/сек² - ускорение свободного падения;

ρ=0,8 - относительная плотность масла,

и закрепление нагревательного устройства на катковой опоре компенсирует температурные деформации стенда путем обеспечения свободного перемещения нагревательного устройства;

- снабжение стенда теплозащитными экранами, выполненными в виде обечаек, последовательно установленных внутри трубопровода и образующих канал для рабочей среды, позволяет, при условии поддержания температуры испытания на заданном уровне, уменьшить величину температурных деформаций и снизить массу трубопровода, что обеспечивает уменьшение импульса силы при разрушении изделия или трубопровода в процессе испытания.

Предложенное техническое решение поясняется следующим описанием его работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фигурах, где:

на фиг. 1 изображена схема стенда с защитным устройством;

на фиг. 2 изображена схема выполнения компенсатора.

Стенд для температурных испытаний изделий авиационной техники содержит основание 1, размещенные на нем камеру 2 с защитным кожухом для испытуемого объекта, трубчатый электронагреватель 3, трубопровод 4, с тонкостенными теплозащитными экранами, выполненными в виде последовательно установленных обечаек 5, образующих внутренний канал для рабочей среды, связывающий камеру 2 с электронагревателем 3, и защитное устройство, выполненное в виде компенсатора температурного расширения трубопровода 4. Компенсатор выполнен в виде катковой опоры и гидравлического демпфера. Катковая опора содержит неподвижную платформу 6, закрепленные на ней направляющие 7 и подвижную платформу 8, установленную на направляющих 7 при помощи катков 9. Электронагреватель 3 закреплен на подвижной платформе 8. Гидравлический демпфер 10 выполнен в виде цилиндрического корпуса 11 с герметичными крышками 12 и 13. Внутри корпуса 11 размещен поршень 14 с жиклерами 15, имеющими калиброванные отверстия 16. Поршень 14 разделяет внутренний объем корпуса 11 на связанные между собой через калиброванные отверстия 16 полости 17 и 18 и закреплен на одном конце подвижного штока 19, другой конец которого через крышку 12 при помощи серьги 20 и шарнира 21 связан с подвижной платформой 8. Концентрично штоку 19 в корпусе 11 установлена пружина 22 сжатия. На крышке 13 корпуса 11 закреплена серьга 23, которая при помощи шарнира 24 связана с неподвижной платформой 6.

Защитное устройство стенда работает следующим образом. От источника (на фиг. не показан) рабочей среды через нагреватель 3 по внутреннему каналу, образованному обечайками 5 трубопровода 4 к установленному в камере 2 изделию подается горячий воздух, нагретый в соответствии с программой испытаний до требуемой температуры и при заданном давлении. Применение тонкостенных теплозащитных экранов обусловлено возможностью снижения теплоотдачи без изменения температуры рабочей среды. Расчеты показывают, что при наличии одного экрана количество передаваемого тепла уменьшается в 2 раза, а при наличии n экранов - в (n+1) раз. Таким образом, путем применения большего числа экранов, установленных концентрично, теплопередачу лучеиспусканием можно снизить до необходимого для испытаний уровня. В процессе испытания при прохождении воздуха происходит нагрев и удлинение трубопровода 4. Возникающая при этом сила толкает подвижную платформу 8 с электронагревателем 3 в сторону, противоположную направлению потока среды. Под действием этой силы шток 19 с поршнем 14 перемещается, уменьшая при этом объем полости 18 и сжимая пружину 22. В результате рабочая жидкость в демпфере 9 перетекает через калиброванные отверстия 16 жиклеров 15 из полости 18 в полость 17. При этом шарнир 24 обеспечивает свободный наклон цилиндрического корпуса 11 при перемещении подвижной платформы 8, исключая возможные заклинивания. Поскольку процесс линейного расширения трубопровода 4 протекает медленно, скорость рабочей жидкости в калибровочных отверстиях 16 невелика и сил, препятствующих движению поршня 14 не возникает. При этом сила сжатия пружины 22 существенного влияния на прочность трубопровода 4 не оказывает. Жесткость пружины 22 выбирается таким образом, чтобы последняя обеспечивала плавное возвращение платформы 8 в исходное положение после прекращения действия усилия. При разрушении в процессе испытаний испытуемого изделия или трубопровода 4 возникает импульс силы, под действием которой скорость перетекания рабочей жидкости из полости 18 в полость 17 многократно возрастает, силы трения жидкости в калиброванных отверстиях 16 увеличиваются, что сопровождается нагревом рабочей жидкости и переходом механической энергии в тепловую. Работа силы по перемещению штока 19 расходуется на преодоление сил трения в калибровочных отверстиях. Сопротивление тем больше, чем больше скорость движения штока 19 и чем меньше диаметр отверстий 16. При этом, если гидравлический демпфер 9 поглотит всю энергию, то он превратится в жесткую опору, т.е. шток 19 встанет в упор. Количество и диаметр калиброванных отверстий выбирают расчетным путем, исходя из назначенного времени перемещения катковой опоры по следующей зависимости:

где: t - время перемещения катковой опоры, сек;

D - диаметр поршня гидроцилиндра, см;

d - диаметр штока, см;

F - площадь поперечного сечения калиброванного отверстия, мм²;

ΔН - разность напоров между полостями гидроцилиндра, мм вод. ст.;

N - количество дросселирующих отверстий в поршне, шт.;

μ₀=0,8 - коэффициент расхода масла;

g=980 см/сек² - ускорение свободного падения;

ρ=0,8 - относительная плотность масла.

Таким образом, работа демпфера 9 препятствуют разгону подвижной платформы 8 с электронагревателем 3, предохраняя системы стенда от разрушения.