Технология сборки и производства авиационных двигателей

12

Технология сборки и производства авиационных двигателей

1. Испытательные станции ВРД. Методы определения тяги: на жестких станках и на нежестких станках. Элементы конструкции жестких станков. Тарировка самоизмерительных устройств: статически и динамически.

Серийные двигатели испытывают на наземных стендах испытательных станций заводов, ОКБ. Испытательная станция представляет собой автономный комплекс сооружений, оснащенный необходимым оборудованием, системами, специальной измерительной аппаратурой, позволяющей обеспечить испытание двигателей, отдельных узлов и агрегатов.

В состав испытательной станции входят:

1) испытательные боксы или помещение стенда, в котором на испытательном силоизмерительном устройстве закрепляется и испытывается двигатель;

2) кабины управления и наблюдения, т.е. помещение стенда, предназначенное для размещения обслуживающего персонала, аппаратуры управления и измерения, контроля и визуального наблюдения за двигателем;

3) технологические помещения, в которых размещаются системы питания испытательных установок;

4) вспомогательные помещения, необходимые для обеспечения работы служб испытательной станции (мастерские механика и электрика, обменный пункт, технические и хозяйственные службы, топливохранилище).

Системы испытательной станции обеспечивают питание испытательных стендов топливом, воздухом и электроэнергией различного напряжения.

Испытательная станция включает ряд стендов, каждый из которых оснащается специальным силоизмерительным устройством, позволяющим определить величину тяги или крутящего момента, топливной, масляной системами, системой запуска и др. На каждом стенде имеется пульт управления двигателя с контрольно-измерительными приборами.

1. Испытательная станция должна иметь кабины управления и помещения для контрольно-измерительных приборов.

2. Станция должна быть оборудована силоизмерительными устройствами для крепления двигателя и измерения его силы тяги.

3. Боксы испытательных установок должны обеспечивать возможность испытания двигателей во всем диапазоне расходов воздуха и иметь прочные стены на случай аварии.

4. Необходимый расход воздуха должен пропускаться через бокс с наименьшими гидравлическими потерями.

5. Двигатель при испытаниях должен быть обеспечен топливом соответствующего сорта.

6. Все параметры двигателя должны измеряться с необходимой точностью.

7. На испытательной станции должны быть выполнены нормы техники безопасности.

8. Должны быть выполнены нормы пожарной профилактики.

Испытательные станции могут быть различного типа: в зависимости от типа испытуемого двигателя различают станции для испытания бескомпрессорных ВРД и станции для испытания компрессорных ВРД; по условиям эксплуатации различают станции открытого и закрытого типа.

Испытательные станции открытого типа - станции, у которых испытуемые двигатели находятся на открытом воздухе и защищены от атмосферных осадков навесами. Кабины управления находятся рядом с двигателем. Эти испытательные станции просты по устройству, сравнительно дешевы, но имеют существенные недостатки: их нельзя располагать вблизи населенных пунктов из-за отсутствия средств шумоглушения, что затрудняет условия проведения испытаний. Такие станции применяют в основном на ремонтных базах.

Испытательные станции закрытого типа нашли в настоящее время наиболее широкое применение. Эти станции оборудованы специальным испытательным боксом, в котором расположен двигатель. Здесь выполнены необходимые удобства обслуживающему персоналу, применены высокоэффективные методы шумоглушения. Для измерения силы тяги или мощности двигателя на испытательных станциях используют силоизмерительные устройства. Они предназначены для закрепления испытуемого двигателя при испытании.

Имеется два типа силоизмерительных устройств: жесткие и нежесткие.

Жесткие - не позволяют производить непосредственное измерение силы тяги, она измеряется газодинамическим методом.

Нежесткие силоизмерительные устройства, кроме основного назначения, обеспечивают непосредственное измерение тяги путем применения в этом типе устройства подвижной платформы.

Основные требования, предъявляемые к испытательным силоизмерительным устройствам:

1. Силоизмерительное устройство должно обеспечивать высокую точность измерения силы тяги и иметь высокую чувствительность. Допустимая погрешность при измерении силы тяги не должна превышать 0,5 % от максимальной величины тяги.

2. Силоизмерительное устройство должно обладать достаточной механической прочностью и жесткостью при относительно небольших размерах и весе.

3. Конструкция устройства не должна затруднять поступления воздуха в двигатель.

4. Силоизмерительное устройство должно обеспечивать надежное крепление двигателя и обеспечивать свободный доступ обслуживающего персонала к элементам двигателя и самому устройству.

5. Конструкция силоизмерительного устройства должна допускать испытание на нем различных модификаций двигателя одного и того же типа.

6. Силоизмерительное устройство должно гарантировать достаточно большой срок службы.

На жестких силоизмерительных устройствах сила тяги двигателя воспринимается фундаментом и измеряется газодинамическим способом. Выражение силы тяги может быть представлено в следующем виде (для стендовых условий H = 0):

.

Напишем выражение силы тяги, приведенное к МСА:

,

.

Таким образом, для определения приведенного к стандартным атмосферным условиям значения силы тяги двигателя необходимо знать площадь реактивного сопла F5, а также измерить полное р*5 и статическое р5 давления газов на выходе из реактивного сопла и давления воздуха в боксе р0.

Точность измерения силы тяги на жестком силоизмерительном устройстве меньше, чем на нежестком.

Появление новых типов двигателей потребовало создания нескольких разновидностей нежестких силоизмерительных устройств:

1. Силоизмерительные устройства для измерения горизонтальной силы тяги (при испытаниях обычных ТРД и ТРДД).

2. Силоизмерительных устройств для измерения горизонтальной силы тяги в прямом и обратном направлениях.

3. Силоизмерительных устройств для измерения горизонтальной и вертикальной тяги.

4. Силоизмерительных устройств для измерения вертикальной силы тяги (при испытаниях ТРД вертикального взлета).

Силоизмерительные устройства указанного типа состоят из следующих элементов: основания, подвижной платформы, измерительной системы и градуировочного устройства. Максимальная величина перемещения динамометрической платформы при градуировке и измерении силы тяги под действием максимального усилия должна составлять не более 2 мм для вновь разрабатываемых силоизмерительных устройств и 3 мм для силоизмерительных устройств, находящихся в эксплуатации.

Основное различие между нежесткими силоизмерительными устройствами различных типов состоит в подвеске подвижной платформы, так как направление действия силы тяги должно совпадать с направлением свободного перемещения платформы.

Рис. 1 . Силоизмерительное устройство с подвесной платформой на шатунах: 1 - опорные стойки; 2 - вилка; 3,4 - тяги; 5 - Г-образный рычаг; 6 - шатуны; 7 - нижний палец; 8 - винты упоров; 9 - палец; 10 - стойка подвижной платформы; 11 - шарнирная опора; 12 - узел третьей опоры; 13 - тяга нижней опоры; 14 - подвижная платформа

Подвижная платформа может быть подвешена к потолку бокса или к специальным опорным стойкам, жестко закрепленным на фундаменте. В настоящее время применяется два метода подвески подвижной платформы: подвеска платформы на шатунах; подвеска платформы на упругих лентах.

Сила тяги двигателя с подвеской платформы на шатунах уравновешивается усилием, возникающим в измерительном устройстве. Применение в шатунах шарикоподшипниковых шарниров хотя и снижает силы трения, но связано со следующими недостатками: относительно высокими коэффициентами трения и моментами трения, наличием радиальных зазоров, необходимостью очищения подшипников от грязи при их эксплуатации, относительной сложностью конструкции шарнира. В связи с этим наибольшее распространение получила силоизмерительное устройство с подвеской подвижной платформы на упругих лентах. Подвижная платформа не имеет поперечных перемещений, т.к. упругие ленты хорошо воспринимают боковые нагрузки. Подвеска на упругих лентах долговечна и надежна в эксплуатации, обеспечивает хорошую работу в условиях вибрации. На точность определения силы тяги оказывает влияние величина отклонения подвижной платформы, величина сил трения в шарнирах, аэродинамический обдув двигателя, характеристики коммуникаций силоизмерительного устройства.

Все коммуникации необходимо располагать так, чтобы не создавать трения. Топливо и другие жидкости необходимо подводить к двигателю при помощи металлических труб большой длины или при помощи эластичных трубопроводов. Градуировку силоизмерительных устройств производят с целью проверки точности динамометра или для получения поверочной кривой. Градуировку производят при помощи градуировочного приспособления, которое бывает рычажного или гидравлического типа. Градуировку производят с полностью смонтированным двигателем, с подключенными системами питания, измерения и управления.

Градуировка бывает двух видов: статическая при неработающем двигателе и динамическая при работающем двигателе. Динамическая градуировка является более сложной и проводится редко. Статическая градуировка состоит в воспроизведении силы тяги двигателя, прикладываемой к платформе при помощи гирь и рычажной системы.

Для проверки порога чувствительности силоизмерительного устройства на грузовую чашку добавляют равными долями груз, соответствующий весу 0,5 % максимальной тяги. Если при добавке такого груза показания измерительного прибора не изменяются, то разгружают градуировочное приспособление и проверяют, нет ли заеданий в градуировочном приспособлении, подвижной платформе и измерительной системе. Аналогично производят проверку при постепенном разгружении.

Показания измерительного прибора усредняют и представляют в виде графика и в зависимости от нагрузки. Если максимальное расхождение данных, полученных при нагружении и разгружении, превышает 0,5% от максимального значения силы тяги, градуировку признают неудовлетворительной и после проверки силоизмерительного устройства ее производят повторно. Рычажные градуировочные приспособления имеют призменные шарниры, которые обеспечивают высокую точность передачи усилий и простоты в изготовлении.

2. Методы и оборудование для измерения расходов жидкости - топлива. Объемные расходомеры топлива

При испытаниях авиационных двигателей в стендовых условиях одним из основных параметров, дающих возможность определить экономичность двигателя, является расход топлива. Определение удельной тяги двигателя и характеристик входного устройства и компрессора связано с измерением расхода воздуха. Кроме того, работоспособность авиационного двигателя зависит от поддержания определенных расходов масла и охлаждающей жидкости. Большое разнообразие двигателей, их агрегатов и узлов, различие физико-химических свойств рабочих тел (воздух, вода, керосин, жидкие водород и кислород), параметров рабочих тел (давление может меняться в сотни раз, а температура принимать любое значение от 70 до 1500 К), условий измерения (стационарное или неустановившееся течение) объясняет наличие разных типов расходомеров и разнообразие методов измерения.

Выбор метода измерения в основном определяется свойствами рабочего тела и необходимой точностью определения расхода.

Существует несколько видов расходомеров:

1. Дроссельные расходомеры - диафрагмы, сопла или трубки Вентури, установленные на пути движения среды.

2. Пневмометрические трубки. С их помощью измеряется динамическое давление в потоке, которому соответствует определенная величина скорости потока.

3. Скоростные расходомеры. В них используются часть энергии поступательного движения потока для вращения крыльчатки, ось которой совпадает с осью трубопровода.

4. Массовые расходомеры:

а) массовый расходомер с мерным баком. Принцип действия такого расходомера заключается в измерении времени, за которое расходуется определенная масса топлива из мерного бака;

б) массовый расходомер с поперечной закруткой потока, действие которого основано на измерении момента закрутки жидкости, создаваемой с помощью рабочего барабана с плоскими лопатками, приводимого во вращение синхронным электродвигателем.

5. Ультразвуковые расходомеры используются для измерения расходов в неустановившихся течениях и пульсирующих потоках, их принцип действия основан на том, что скорость распространения ультразвуковых колебаний в потоке жидкости или газа отличается от скорости в такой же неподвижной среде на величину скорости этой среды.

6. Объемные расходомеры (штихпроберы) (рис.1). До начала измерений штихпробер заполнен топливом не весь: залиты объемы - резервный - , мерный объем - = + + часть резервного объема - .

Рис. 1 . Схема объемного расходомера:

1 - мерный бак; 2 - диски; 3 - компенсационный бак; 4 - переливная трубка; 5 - воздушный кран; 6 - кран; 7 - соединительная трубка; 8 - трубопровод.

Поворотом крана происходит включение расходомера в измерительный цикл. При этом начинает заполняться топливом компенсационный бак штихпробера. Воздух из этого объема переходит через трубку в резервный объем V1 и начинает вытеснять топливо в трубопровод, подводящий топливо к двигателю. Расход топлива определяется временем опорожнения мерного объема измеряемого электрическим миллисекундомером или секундомером. Показания миллисекундомера фотографируются в момент прохода уровня мимо фотоэлементных датчиков, установленных на границах измеряемого объема.

Массовый секундный расход будет равен

где - мерный объем в ;

- плотность топлива в ;

- время в .

Мерный объем должен быть достаточно большим, так чтобы время измерения было не менее 30 с.

Объемы штихпробера подбираются согласно следующим неравенствам:

и .

Первое неравенство гарантирует бесперебойеую работу двигателя, если по каким-либо причинам кран не был открыт после измерения. Тогда в баке топливо достигает среза трубки и насинает поступать в нижнюю часть штихпробера. Втрое неравенство позволит использовать весь объем для измерений, исключив переливание топлива через трубку до израсходования объема .

Штихпробер должен быть тщательно отградуирован, т.к. от этого зависит точность измерения. При продолжительности измерения 30 с погрешность оценки расхода топлива составляет 1,5%. Если мерный объем позволит проводить измерение в течении 60 с, то погрешность уменьшится до 0,5%.

Штихпроберы просты по конструкции, обеспечивают достаточно высокую точность измерения, но не пригодны к измерению мгновенных расходов, сложны при осуществлении дистанционных измерений.

Использованная литература

1. Леонтьев В.Н., Сиротин С.А., Теверовский А.М. Испытания авиационных двигателей и их агрегатов. М. Машиностроение. 1976г.

2. Никитин А.Н. Технология сборки двигателей летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1982г.

3. Беликов В.Н., Никитин А.Н. Сборка авиационных двигателей. М.: Машиностроение, 1971г.

4. Евстигнеев М.И., Подзей А.В., Сулима A.M. Технология производства двигателей летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1982.

5. Логинов В.Е. Технология производства агрегатов питания и регулирования ВРД. - М.: Изд-во МАИ, 1987.

6. Ильянков А.И., Левит М.Е. Основы сборки авиационных двигателей. - М.: Машиностроение, 1987.

7. материалов. Под ред. П.Г. Петрухи. М.: Высшая школа, 1991.

8. Никитин А.Н., Серебренников Г.З. Технология сборки и автоматизация производства воздушно-реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1992.

9. Сулима A.M., Носков А.А., Подзей А.В., Серебренников Г.З. Основы технологии производства воздушно-реактивных двигателей. - М.: Машиностроение, 1993.

10. Сулима A.M., Носков А.А., Серебренников Г.З. Основы технологии производства газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение, 1996.