 |
Стендовые испытания ГТД для проверки их надежности и ресурса
|
|
|
|
1. Специальные испытания по проверке надежности ГТД
При высоком присущем ГТД уровне наработки на отказы большинства типов практически невозможно получить специальными испытаниями при разумной их стоимости и продолжительности сколько-нибудь исчерпывающие и достаточно достоверные количественные характеристики надежности опытных газотурбинных двигателей.
Поэтому в инженерной практике вырабатываются такие методы относительно кратковременной экспериментальной проверки ГТД, которые позволяют перед запуском двигателя в серийное производство судить о его надежности на основании определения наличия и достаточности запасов работоспособности основных узлов, систем и элементов двигателя по отношению к различным возможным в эксплуатации воздействиям.
Система испытаний такого рода сложилась в мировом авиадвигателестроении. Она закреплена с небольшими вариациями на уровне авиационных стандартов в нормах летной годности гражданских самолетов СССР, США (FAR), Великобритании (BCAR), а также на уровне международных рекомендаций ИКАО.
Успешное прохождение двигателем испытаний, предусмотренных этой системой, является необходимым условием получения сертификата летной годности на двигатель данного типа.
Аналогичные системы испытаний могут быть разработаны и использованы для проверки надежности ГТД различного назначения перед началом их серийного производства и эксплуатации.
При разработке комплекса испытаний по проверке надежности двигателей возникают три группы вопросов – о номенклатуре испытаний, о методах их проведения и о методах оценки их результатов.
Выбор номенклатуры испытаний
Выбор номенклатуры испытаний определяет, в связи с какими типами отказов и при каких возможных внешних воздействиях на двигатель должны проверяться запасы его работоспособности. Естественно, что при этом должна быть обеспечена проверка всех основных определяющих надежность факторов, но вместе с тем без чрезмерной перегрузки комплекса испытаний.
|
|
|
В комплекс специальных испытаний авиационных ГТД вошли испытания, отобранные, в основном, по трем признакам.
1) К частым отказам относятся усталостные поломки лопаток, потеря газодинамической устойчивости, неудачные запуски, повреждения лопаток компрессора посторонними предметами, различные отказы топливной и масляной систем (в том числе течи из трубопроводов), обледенение входных элементов.
В связи с перечисленными типами отказов в систему специальных испытаний включены такие испытания:
а) исследование вибрационного состояния лопаток и других деталей ГТД;
б) определение последствий разрушения лопаток компрессоров и турбин;
в) проверка пусковых свойств двигателя на земле и в полете;
г) определение запасов газодинамической устойчивости при различных внешних воздействиях;
д) проверка работоспособности двигателя при попадании во входное устройство птиц, воды, кусков льда, града;
е) проверка топливной системы и системы автоматического регулирования;
ж) исследование работы маслосистемы;
з) испытание трубопроводов и узлов под давлением;
и) исследование противообледенительной системы двигателя и др.
2) Вторым признаком, по которому то или иное испытание включалось в комплекс, является тяжесть последствий отказа, пусть даже очень маловероятного (разрушение дисков, валов и т.п.).
Поэтому в число обязательных испытаний вошли испытания по проверке роторов двигателей на прочность, испытания при повышенном крутящем моменте для ТВД со свободной турбиной и др.
3) И, наконец, есть несколько специальных испытаний для проверки запасов работоспособности двигателя не в связи с конкретными причинами отказов, а в связи с некоторыми возможными воздействиями на конструкцию двигателя, последствия которых заранее не очевидны.
|
|
|
Примером такого испытания является испытание с превышением на 3% максимальной рабочей частоты вращения ротора двигателя. Это не испытание по проверке прочности ротора (при прочностных испытаниях ротор раскручивают до частот вращения (nmax+20%)), а проверка функционирования ГТД при возможных в эксплуатации по тем или иным причинам забросах оборотов. Необходимо убедиться, что при этом не появляются нежелательные последствия, например, повышенные вибрации лопаток, критические частоты вращения валов.
На основе рассмотренных подходов в комплексе обязательных специальных испытаний авиационных ГТД включено несколько десятков стендовых и летных испытаний.
Разработка методов проведения специальных испытаний
При разработке методов испытаний решающим является вопрос о выборе того уровня нагрузок (режимов и внешних воздействий), который должен благополучно выдерживаться двигателем и при котором должны проверяться запасы его работоспособности.
Важно также, чтобы методы проведения обязательных испытаний были возможно доступнее, чтобы большинство из них можно было проводить на обычных заводских (а не на специальных разгонных) стендах.
Рассмотрим очень кратко на нескольких примерах методы проведения специальных испытаний авиационных ГТД.
1.2.1. Определение вибрационных характеристик двигателя, его узлов и деталей
Исследование вибрационного состояния ГТД включает целую серию испытаний, важнейшие из которых – тензометрирование рабочих лопаток турбины и рабочих и направляющих лопаток компрессора.
Тензометрированием должно быть определено влияние на уровень вибрационных напряжений в лопатках таких факторов, как наибольшие возможные в эксплуатации неравномерности полных давлений воздуха на входе в двигатель, максимально возможные в высотно-скоростных условиях давления и температуры воздуха. Тензометрирование должно проводиться во всем диапазоне частот вращения от малого газа до максимального режима, т.к. резонансные колебания могут возникать при любых значениях частоты вращения. Запись амплитуд колебаний (т.е. напряжений) должна вестись непрерывно при всех частотах вращения.
|
|
|
Вибрографирование двигателя имеет целью определение уровня вибраций корпуса двигателя. Вибродатчики устанавливаются в плоскости опор ротора в вертикальном и горизонтальном направлениях, а также на агрегатах, форсажной камере и других элементах, где ожидается повышенный уровень вибраций.
Сигналы от датчиков вибраций, обычно пропорциональные скорости перемещения, записываются во всем диапазоне частот вращения.
1.2.2. Испытания по определению последствий разрушения лопаток компрессора и турбины.
Целью этих испытаний является оценка меры локализации разрушений двигателя при обрыве лопаток.
Эти испытания методически относительно просты.
На обычном заводском стенде двигатель выводят на режим максимальных частот вращения с предварительно подрезанными у корня несколькими лопатками.
Если ни одна лопатка не обрывается, увеличивают подрезку и повторяют опыт, пока лопатка не оборвется.
Испытаниям должны предшествовать анализ с целью определения наиболее критической ступени компрессора или турбины в смысле опасных последствий обрыва лопатки.
1.3. Оценка результатов испытаний
При оценке результатов испытаний требуется очень обоснованное отношение к последствиям того или иного воздействия.
В ряде случаев, правда, оценка последствий настолько однозначна, что не вызывает трудностей – в этих случаях оценка результатов испытаний происходит по принципу “да”-“нет” (т.е. прошел или не прошел испытания двигатель).
Например, если прочность и герметичность топливных трубопроводов при требуемом 1,5 – кратном превышении давления не нарушены, значит испытания под давлением прошли успешно.
Аналогично обстоит дело и с обрывом лопаток – если оборвавшаяся лопатка не пробила корпус и все вторичные разрушения локализованы внутри двигателя, то результаты испытаний положительны.
Сложнее дело обстоит в случае, например, оценки повреждении от забрасываемых в двигатель птиц. Какие-то повреждения при этом неизбежны, но какие считать приемлемыми – не очевидно без анализа последующих полетных ситуаций. Для этого случая в НЛГС приняты следующие критерии оценки.
Птица массой более 1,8 кг, попавшая в двигатель многодвигательного самолета, не должна наносить повреждений, вызывающих опасность для самолета. Допускается выключение двигателя.
Из рассмотренных примеров мы видим, что для проверки надежности опытных АГТД нашли применение инженерно-физические методы, а не статистическая оценка количественных характеристик надежности, которая затруднена при умеренной наработке опытных образцов.
|
|
|
