Результат интеллектуальной деятельности: Стенд для испытания газогенератора турбореактивного двухконтурного двигателя

Изобретение относится к испытаниям авиационных воздушно-реактивных двигателей, а именно к стендам для испытания газогенераторов турбореактивных двухконтурных двигателей (ТРДД), и может найти применение в авиационной промышленности.

Известен стенд для испытаний турбореактивного двухконтурного двигателя (RU 2467302, 2012), содержащий систему подачи воздуха, систему отвода газа, входное устройство, выхлопное устройство, подводящий и выхлопной воздушные трубопроводы, ресивер и термобарокамеру с размещенной внутри нее динамометрической платформой, предназначенной для установки испытываемого ТРДД, причем подводящий трубопровод снабжен запорно-регулирующими устройствами, выход системы подачи воздуха сообщен с подводящим трубопроводом, а вход системы отвода газа сообщен с выхлопным трубопроводом, выхлопное устройство установлено на выходе термобарокамеры и сообщено с входом системы отвода газа посредством выхлопного трубопровода, подводящий трубопровод сообщен с входом ресивера, выход ресивера сообщен с входным устройством через насадок.

Недостатком известного технического решения является то, что оно не предназначено для испытания газогенераторов и не содержит средств, позволяющих производить испытания в соответствии с требованиями, предусмотренными в п. 5.1 «Методики испытаний газогенератора ГТД по проверке его работоспособности и эффективности» в «Руководстве по испытаниям авиационных двигателей на высотных и климатических стендах», ЦИАМ, 2012, с. 65 (далее - Методика испытаний).

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является стенд для испытания газогенератора турбореактивного двухконтурного двигателя (RU 2622588, 2017), содержащий систему подачи воздуха, систему отвода газа, входное устройство, выхлопное устройство, подводящий, выхлопной и байпасный воздушные трубопроводы, причем выхлопной и байпасный трубопроводы снабжены запорно-регулирующими устройствами, выход системы подачи воздуха сообщен с подводящим трубопроводом, а вход системы отвода газа сообщен с выхлопным трубопроводом.

Недостатком известного стенда для испытания газогенератора ТРДД является то, что он позволяет проводить испытания в ограниченных условиях по полному давлению Р*_ВХ и заторможенной температуре Т*_ВХ на входе в газогенератор в условиях избыточного давления воздуха на входе в газогенератор выше атмосферного, что преимущественно соответствует режимам проведения тензометрирования газогенератора.

Для подачи воздуха на вход в газогенератор в известном стенде используется отбор воздуха от наружного контура технологического ТРДД типа Д-30Т, минимальное полное давление которого не может быть меньше 125 кПа. При меньших значениях давления в канале наружного контура технологического ТРДД из-за уменьшения величины отношения частот вращения роторов компрессора высокого давления и компрессора низкого давления (КНД) в соответствии с характеристикой рабочих режимов КНД технологического ТРДД может произойти помпаж КНД.

При этом заторможенная температура Т*_ВХ потока воздуха, подаваемого на входе в газогенератор, существенно зависит от температуры окружающей среды в атмосфере, что может не позволить проводить климатические испытания газогенератора при пониженных температурах потока воздуха на входе, например, при отработке запуска газогенератора в высотных условиях и при проверке отсутствия виброгорения в камере сгорания газогенератора.

В известном стенде также отсутствуют технические средства, позволяющие установить величину статического давления Р_Б на стенде вне рабочей струи газов из реактивного сопла газогенератора ниже атмосферного. Данный недостаток, в частности, не позволяет имитировать на стенде крейсерские условия полета

Η=11 км (Р_Б=22,61 кПа),

и число Маха

М_П=0,8,

вследствие чего линия рабочих режимов на характеристике компрессора газогенератора сместится в сторону границы неустойчивых режимов, что приведет к уменьшению запасов его газодинамической устойчивости и к перегреву материала турбины высокого давления газогенератора. При этом также может измениться величина равнодействующей осевой силы, действующая на радиально-упорный подшипник газогенератора.

Существенными являются также ограничения в выполнении изменения подачи воздуха в известном стенде при различных режимах работы газогенератора, т.к. используемые для этой цели запорно-регулирующие устройства предназначены только для экстренного изменения расхода воздуха, перепускаемого в атмосферу из наддутого в аварийной ситуации воздуховода, например, при помпаже газогенератора или технологического ТРДД, или могут быть использованы только при величине полного давления перед входом в газогенератор, превышающей величину атмосферного давления.

Еще одним недостатком известного стенда является отсутствие средств для обеспечения уменьшения уровня неравномерности скорости потока и интенсивности пульсаций давления потока на входе газогенератора.

В известном стенде также отсутствуют средства, позволяющие испытывать газогенератор с технологическим каналом наружного контура ТРДД, например, ТРДД с КНД с подпорными ступенями типа ПД-14, в который необходимо подвести поток с параметрами по полному давлению и заторможенной температуре, соответствующими параметрам за вентилятором ТРДД, а на вход в газогенератор - с параметрами, соответствующими параметрам за подпорными ступенями КНД, что не соответствует требованиям п. 5.1 указанной выше Методики испытаний.

Техническая проблема, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в отсутствии средств, позволяющих испытывать газогенератор в расширенном диапазоне условий его эксплуатации в составе ТРДД, в том числе по полному давлению Р*_ВХ, заторможенной температуре Т*_ВХ, статическому давлению Р_Б на стенде, а также на переходных режимах работы.

Технический результат, достигаемый при осуществлении заявленного изобретения, заключается в обеспечении комплексной проверки прочностных характеристик и газодинамического соответствия узлов газогенератора ТРДД, в том числе на переходных режимах работы в расширенном диапазоне условий эксплуатации газогенератора в составе ТРДД по высоте и числу Маха полета.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что стенд для испытания газогенератора турбореактивного двухконтурного двигателя содержит систему подачи воздуха, систему отвода газа, входное устройство, выхлопное устройство, подводящий, выхлопной и байпасный воздушные трубопроводы, причем выхлопной и байпасный трубопроводы снабжены запорно-регулирующими устройствами, первый выход системы подачи воздуха сообщен с подводящим трубопроводом, а вход системы отвода газа сообщен с выхлопным трубопроводом, при этом стенд дополнительно снабжен технологическим каналом наружного контура двигателя, ресивером, устройством для выравнивания потока воздуха, системой отвода воздуха, двумя выхлопными шахтами и термобарокамерой с размещенной внутри нее динамометрической платформой, предназначенной для установки испытываемого газогенератора, при этом выхлопное устройство включает последовательно соединенные эжектор-газовод, выхлопной диффузор и газоводяной холодильник, подводящий воздушный трубопровод снабжен запорно-регулирующим устройством, входное устройство содержит неподвижную часть и подвижную часть, предназначенную для соединения с входом газогенератора, устройство для выравнивания потока воздуха установлено перед первым выходом ресивера, выхлопное устройство установлено на выходе термобарокамеры и сообщено с входом системы отвода газа посредством выхлопного трубопровода, подводящий трубопровод сообщен с входом ресивера, первый выход ресивера сообщен с входным устройством через насадок, второй выход ресивера сообщен с входом системы отвода воздуха посредством байпасного трубопровода, а выхлопные шахты сообщены соответственно с выхлопным и байпасным трубопроводами и снабжены запорно-регулирующими устройствами.

Существенные признаки могут иметь развитие и продолжение. На втором выходе системы подачи воздуха может быть установлен дополнительный трубопровод с запорно-регулирующим устройством, причем выход дополнительного трубопровода снабжен расходомерным коллектором и гибким сильфоном, выход которого соединен с технологическим каналом наружного контура двигателя.

Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как только совокупность признаков, составляющих изобретение, позволяет обеспечить комплексную проверку прочностных характеристик и газодинамического соответствия узлов газогенератора ТРДД, в том числе на переходных режимах работы в расширенном диапазоне условий эксплуатации газогенератора в составе ТРДД по высоте и числу Маха полета.

Техническое решение позволяет проводить испытания газогенератора в условиях, максимально имитирующих условия эксплуатации газогенератора в составе ТРДД, в соответствии с требованиями, предусмотренными в п. 5.1 Методики испытаний.

Настоящее изобретение поясняется иллюстрациями, представленными на фигурах 1-5, где:

на фиг. 1 показана общая схема стенда для испытания газогенератора ТРДД;

на фиг. 2 показана схема системы отвода газа;

на фиг. 3 показана конструкция входного устройства стенда;

на фиг. 4 показана схема фрагмента стенда для испытания газогенератора ТРДД с дополнительным трубопроводом;

на фиг. 5 представлена область испытаний газогенератора в координатах эксплуатации ТРДД по высоте (Н) и числу (М_П) Маха полета в составе дозвукового самолета на заявленном стенде.

Стенд для испытания газогенератора турбореактивного двухконтурного двигателя включает систему 1 подачи воздуха, систему 2 отвода газа, входное устройство 3, выхлопное устройство 4, подводящий воздушный трубопровод 5, выхлопной воздушный трубопровод 6, байпасный воздушный трубопровод 7, технологический канал 8 наружного контура двигателя, ресивер 9, устройство 10 для выравнивания потока воздуха, систему 11 отвода воздуха, первую выхлопную шахту 12, вторую выхлопную шахту 13 и термобарокамеру 14 с размещенной внутри нее динамометрической платформой 15, предназначенной для установки испытываемого газогенератора 16 (фиг. 1).

Первый выход системы 1 подачи воздуха сообщен с подводящим трубопроводом 5, а вход системы 2 отвода газа сообщен с выхлопным трубопроводом 6. Устройство 10 для выравнивания потока воздуха установлено перед первым выходом ресивера 9, выхлопное устройство 4 установлено на выходе термобарокамеры 14 и сообщено с входом системы 2 отвода газа посредством выхлопного трубопровода 6, подводящий трубопровод 5 сообщен с входом ресивера 9, первый выход ресивера 9 сообщен с входным устройством 3 через насадок 17, второй выход ресивера 9 сообщен с входом системы 11 отвода воздуха посредством байпасного трубопровода 7, а выхлопные шахты 12, 13 сообщены соответственно с выхлопным и байпасным трубопроводами 6, 7 и снабжены запорно-регулирующими устройствами 18, 19.

Система 1 подачи воздуха предназначена для обеспечения требуемых величин полного давления, заторможенной температуры потока воздуха перед испытываемым газогенератором и массового расхода воздуха. Система 1 подачи воздуха в частном случае (Скибин В.А., «Современные методы и оборудование для испытаний воздушно-реактивных двигателей», Москва, МАТИ, 2000, с. 21, 283-289) включает в свой состав всасывающие шахты, запорно-регулирующие устройства, воздушные фильтры, компрессоры, воздуховодяные и высокотемпературные холодильники, холодильную турбину и воздушный смеситель (на чертежах не показаны).

Подводящий, выхлопной и байпасный трубопроводы 5, 6, 7 снабжены запорно-регулирующими устройствами 20, 21, 22, 23.

Выхлопное устройство 4 включает последовательно соединенные эжектор-газовод 24, выхлопной диффузор 25 и газоводяной холодильник 26.

В частном случае каждая из систем 2 и 11 включает две параллельно соединенные эксгаустерные станции 27 и 28 соответственно, каждая из которых включает последовательно соединенные запорно-регулирующие устройства 29, газоводяной холодильник 30 и эксгаустер 31 (фиг. 2). Выход каждой эксгаустерной станции 27, 28 соединен с выхлопной шахтой 32.

В качестве входного устройства 3 может быть использовано входное устройство, конструкция которого описана в патенте (RU 2439526, 2012). Входное устройство 3 содержит неподвижную часть 33 и подвижную часть 34, предназначенную для соединения с входом газогенератора 16 (см. фиг. ). Неподвижная и подвижная части 33, 34 соединяются посредством лабиринтного уплотнения 35. Подвижная часть 34 закреплена на динамометрической платформе 15 посредством опорных и опорно-упорных стоек 36 и 37 соответственно.

Динамометрическая платформа 15 может быть закреплена на упругой подвеске (на чертеже не показана) типа лент сжатия или лент растяжения (Павлов Ю.И. и др. «Проектирование испытательных стендов для авиационных двигателей», Москва, «Машиностроение», 1979, с. 89-105) к термобарокамере 14 и позволяет измерять силу от тяги газогенератора 16, который в частном случае может быть установлен на подмоторной раме 38, закрепленной на динамометрической платформе 15.

Устройство 10 для выравнивания потока воздуха в частном случае включает защитную сетку 39, выравнивающие сетки 40 для обеспечения требуемой неравномерности скорости потока и интенсивности пульсаций давления и размещенное между ними устройство 41 типа «хонейкомб» для устранения крупномасштабных вихрей, выпрямления потока в осевом направлении и устранения крутки потока перед входом в газогенератор 16 после поворотов потока в трубопроводе на 180° (Р. Пэнкхерст и Д. Холдер. «Техника эксперимента в аэродинамических трубах». Изд. «Иностранной литературы», М., 1955, с. 86-90).

Насадок 17 может быть выполнен по профилю сопла Витошинского или по профилю лемнискаты.

В частном случае на втором выходе системы 1 подачи воздуха установлен дополнительный трубопровод 42 с запорно-регулирующим устройством 43, причем выход дополнительного трубопровода 42 снабжен расходомерным коллектором 44 и гибким сильфоном 45, выход которого соединен с технологическим каналом 8 наружного контура двигателя (см. фиг. 4).

Запорно-регулирующие устройства (ЗРУ) 18, 19, 20, 21, 22, 23, 29, 43 могут быть выполнены в виде дросселей различных конструкций (Насонов В.Н., Павлов Ю.И. и др., "Проектирование технологического оснащения высотных стендов для испытаний авиационных двигателей". Москва, МАТИ, 2005, с. 104-123). Привод дросселя может быть механическим (с помощью гидравлических приводов) и электромеханическим (с помощью шаговых двигателей). Запорно-регулирующие устройства регулируют расход воздуха, изменяя параметры течения воздушной среды, протекающей через него, вплоть до полного прекращения (закрытое положение дросселя).

Стенд для испытания газогенератора турбореактивного двухконтурного двигателя работает следующим образом.

Поток воздуха от системы 1 подачи воздуха с требуемыми параметрами, соответствующими полному давлению Р*_КНД и температуре Т*_КНД торможения за компрессором низкого давления (КНД) ТРДД с подпорными или без подпорных ступеней по подводящему трубопроводу 5 поступает в ресивер 9, проходит через устройство 10 для выравнивания потока воздуха и по подвижной (выходной) части 34 входного устройства 3 поступает на вход испытываемого газогенератора 16.

Поток газа из реактивного сопла испытываемого газогенератора 16 при испытаниях в условиях, близких к наземным

(Н ≈ 0 км, М_П ≥ 0),

направляется в выхлопное устройство 4, в котором происходит его предварительное охлаждение, и далее по выхлопному трубопроводу 6 в атмосферу через первую выхлопную шахту 12 при закрытом ЗРУ 21 и открытом ЗРУ 18, а при имитации вакуумных давлений в термобарокамере 14 при закрытом ЗРУ 18 и открытом ЗРУ 21 направляется в систему 2 отвода газа.

Для обеспечения переходных режимов работы газогенератора 16 (приемистость или сброс газа) и поддержания при этом постоянной величины полного давления на входе в газогенератор 16 воздух перепускается из ресивера 9 с помощью байпасного трубопровода 7 при открытых ЗРУ 22, 23 и закрытом ЗРУ 19 в систему 11 отвода воздуха в случае разряжения давления в ресивере 9 или при открытых ЗРУ 19, 22 и закрытом ЗРУ 23 во вторую выхлопную шахту 13 так, что при приемистости газогенератора 16 перепуск расхода воздуха из ресивера 9 в атмосферу уменьшается, а при сбросе газа газогенератора 16 перепуск расхода воздуха из ресивера 9 в атмосферу увеличивается. Для поддержания постоянной величины Р*_ВХ на переходных режимах работы газогенератора 16 используют поддержание постоянного расхода воздуха через ресивер 9 как суммы расходов воздуха через газогенератор 16 и через байпасный трубопровод 7.

В случае проведения испытаний газогенератора 16 при имитации установившихся режимов работы ТРДД в частном случае ЗРУ 22 закрывают, а в аварийной ситуации при наддуве ресивера 9 ЗРУ 22 и 19 открывают, а ЗРУ 23 закрывают.

В случае имитации условий испытаний газогенератора 16 ТРДД с КНД без подпорных ступеней со смешением потоков и общим реактивным соплом (двухконтурные двигатели типа АЛ-31Ф, РД-33) подвод воздуха осуществляется к входу ресивера 9 на вход в газогенератор 16 с помощью подвижной части 34 входного устройства 3 с параметрами, равными заторможенным параметрам за КНД ТРДД

Р*_ВХ - Р*_КНД, Т*_ВХ=Т*_КНД.

При этом конструкция газогенератора 16 может в частном случае также включать внешний кольцевой имитатор канала наружного контура (КНК) ТРДД с общим подводом потока воздуха от подвижной части 34 входного устройства 3 на вход в газогенератор 16 и в КНК.

Подвод воздуха применительно к испытаниям газогенератора 16 ТРДД с подпорными ступенями КНД с общим соплом (ТРДД типа ПС-90) и с раздельными контурами (ТРДД типа ПД-14) для обеспечения имитации теплового и прочностного состояния конструкции газогенератора 16, включая величины радиальных зазоров в рабочих лопатках компрессора и турбины, производится раздельно по подводящему трубопроводу 5 с параметрами, равными заторможенным параметрам за подпорными ступенями КНД ТРДД

Р*_ВХ = Р*_КНД, Т*_ВХ = Т*_КНД,

и по дополнительному трубопроводу 42 к технологическому каналу 8 наружного контура двигателя с параметрами, равными заторможенным параметрам за вентилятором КНД ТРДД

Р*_КНК = Р*_В, Т*_КНК = Т*_В, где

Р*_КНК - полное давление воздуха в технологическом канале 8 наружного контура ТРДД;

Р*_В - полное давление воздуха за вентилятором КНД ТРДД;

Т*_КНК - заторможенная температура воздуха в технологическом канале 8 наружного контура ТРДД;

Т*_В - заторможенная температура воздуха за вентилятором КНД ТРДД, при этом расход воздуха в трубопроводе 42 регулируется с помощью ЗРУ 43.

На фиг. 5 представлена область испытаний газогенератора в координатах эксплуатации ТРДД по высоте (Н) и числу (М_П) Маха полета в составе дозвукового самолета на заявленном стенде в сравнении с наиболее близким аналогом (RU 2622588, 2017).

Таким образом, заявленный стенд для испытания газогенератора турбореактивного двухконтурного двигателя позволяет обеспечить комплексность проверки прочностных характеристик и газодинамического соответствия узлов газогенератора:

- в расширенном диапазоне условий эксплуатации газогенератора в составе ТРДД по высоте и числу Маха полета по полному давлению Р*_ВХ, заторможенной температуре Т*_ВХ и статическому давлению Р_Б на стенде;

- на переходных режимах работы (приемистость, сброс газа и пр.);

- при имитации теплового состояния конструкции газогенератора за счет имитации условий подвода воздуха к газогенератору как по схеме КНД с подпорными ступенями, так и без подпорных ступеней.