УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМИТАЦИИ УСЛОВИЙ ОБЛЕДЕНЕНИЯ ПРИ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЯХ АВИАЦИОННЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В ТЕРМОБАРОКАМЕРЕ С ПРИСОЕДИНЕННЫМ ТРУБОПРОВОДОМ
ICING CONDITION STIMULATOR USED IN AIRCRAFT TURBINE ENGINE BENCH TESTS IN HEAT CHAMBERS WITH PIPING ATTACHED

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано, преимущественно, в авиационной промышленности при проведении наземных испытаний объектов авиационной техники, подвергающихся обледенению в естественных условиях, и может быть использовано для подготовки и подачи струи водяной пыли при обводнении воздушного потока, подводимого к газотурбинному двигателю (ГТД) при испытаниях в термобарокамере с присоединенным трубопроводом.
Проведение стендовых испытаний на обледенение предпочтительнее, чем испытания в полетных условиях с учетом безопасности, точности измерения и удобства обслуживания. В зависимости от целей и возможностей применяются разные технологии испытаний. При испытаниях в двигательных испытательных камерах стремятся как можно точнее моделировать естественные атмосферные условия обледенения и использовать развитие ледяных наростов на входе в двигатель для измерения их влияния на работу и характеристики двигателя, а также для проверки деятельности системы противообледенительной защиты двигателя.
Испытательные камеры делаются как для наземных условий, так и для высотных. Второй тип - это камеры меньших размеров, но приспособленные для испытаний в широком диапазоне параметров: чисел Маха, давлений, высот, а также входных условий, при этом параметры обледеняющего облака точно контролируются и регулируются в течение испытаний.
Известно устройство для обводнения воздуха, подаваемого по присоединенному трубопроводу на вход авиационного газотурбинного двигателя, содержащие камеру обводнения в виде цилиндрической обечайки с фланцами для крепления к присоединенному трубопроводу.
Водораспыливающий коллектор выполнен в виде набора концентрично расположенных отдельных кольцевых коллекторов, изготовленных из труб. Форсунки размещены по кольцевой линии отдельных коллекторов и направлены вдоль оси присоединенного трубопровода на вход авиационного газотурбинного двигателя. Форсунки расположены с равномерным шагом, обеспечивающим размещение необходимого количества форсунок. Расстояние между кольцевыми коллекторами выбирается так, чтобы форсунки равномерно перекрывали всю площадь сечения присоединенного трубопровода.
Коллектор подачи распыливающего воздуха к форсункам также выполнен в виде набора концентрично расположенных отдельных кольцевых коллекторов и размещен на некотором расстоянии перед водораспыливающим коллектором по направлению воздушного потока. Подача воды и воздуха к коллекторам осуществляется по патрубкам через стенку камеры обводнения, смотри, например, «Проектирование испытательных стендов для авиационных двигателей», Ю.И.Павлов, Ю.Я.Шайн, Б.И.Абрамов. Москва, Машиностроение, 1979, стр.34, 58-65.
Недостатком данного известного устройства для обводнения воздушного потока является отсутствие теплоизоляции на водораспыливающем коллекторе и коллекторе подачи распыливающего воздуха, что может привести к переохлаждению воды и как следствие ее замерзанию в форсунках, а также невозможность обеспечения одинакового давления воздуха, подаваемого к форсункам на всей длине коллектора, что приводит к нестабильной работе форсунок и неравномерному обледенению объекта испытаний.
Известно также устройство для обводнения воздуха, подаваемого по присоединенному трубопроводу на вход авиационного газотурбинного двигателя (смотри «Основы расчета, конструирования и испытаний противообледенительных систем авиационных газортурбинных двигателей», А.Н.Антонов, Н.К.Аксенов, А.В.Горячев, С.В.Чиванов, Москва, 2001 г., стр.98-103), содержащее камеру обводнения с расположенными в ней водораспыливающим коллектором и коллектором подачи распыливающего воздуха.
Водораспыливающий коллектор выполнен в виде кольца, изготовленного из трубы. Форсунки размещены по кольцевой линии и направлены вдоль оси присоединенного трубопровода на вход авиационного газотурбинного двигателя. Коллектор подачи распыливающего воздуха к форсункам также выполнен в виде кольца, изготовленного из трубы и размещен на некотором расстоянии перед водораспыливающим коллектором по направлению воздушного потока. Для предохранения воды в водораспыливающем коллекторе от замерзания распыливающий воздух подается в коллектор нагретым до температуры выше температуры кипения воды.
Недостатками данного устройства для обводнения воздушного потока являются отсутствие теплоизоляции на водораспыливающем коллекторе и коллекторе подачи распыливающего воздуха, что может привести к переохлаждению воды и как следствие к замерзанию воды в форсунках, а также то, что форсунки неравномерно производят обводнение воздушного потока по сечению присоединенного трубопровода и не обеспечивают одинакового давления воздуха, подаваемого к форсункам на всей длине коллектора, что приводит к нестабильной работе форсунок и неравномерному обледенению объекта испытания.
Целью заявляемого изобретения является создание устройства, обеспечивающего стабильность работы форсунок во всем диапазоне температур испытаний газотурбинных двигателей; а также обеспечение равномерного обводнения воздушного потока при эксперименте.
Технический результат достигается тем, что устройство для имитации условий обледенения при стендовых испытаниях авиационных ГТД в термобарокамере с присоединенным трубопроводом содержит камеру обводнения с воздушными и водяными коллекторами, оборудованными форсунками, расположенными в расчетном сечении присоединенного трубопровода, причем коллекторы размещены в горизонтальных пилонах, равномерно расположенных по сечению присоединенного трубопровода, при этом пилоны выполнены в виде рамы, образованной входным и распределительным воздушными коллекторами, соединенными дроссельными участками, а распределительный коллектор снабжен переходниками для крепления форсунок, а водяной коллектор, разделенный муфтами с трубками для подвода воды к форсункам, расположен между воздушными коллекторами, рама закрыта обтекателем, механически не связанным с ней и внутри снабженным теплоизоляцией, пилоны закреплены одной стороной внутри к стенкам камеры обводнения, а с другой стороны контактируют с направляющими втулками. Обтекатели пилонов последовательно соединены между собой и камерой обводнения пластинами с компенсаторами температурных деформаций. Трубки подачи воды к форсункам расположены в верхней части соединительных муфт коллектора подачи воды. Форсунки снабжены шарнирами изменения угла впрыска водяной пыли в воздушный поток. Патрубки подвода распыливающего воздуха и элементов крепления пилонов к камере снабжены соединительными элементами с приборами измерения давления воздуха и температуры.
На фиг.1 представлена установка газотурбинного авиационного двигателя в испытательном боксе для испытаний в условиях обледенения.
На фиг.2 и 3 изображен коллектор обводнения потока рабочего воздуха.
На фиг.4 изображен пилон с форсунками.
На фиг.5 изображен коллектор подачи воздуха и воды (без обтекателя).
На фиг.6 изображен обтекатель пилона в теплоизоляции.
На фиг.7 изображены входной коллектор подачи воздуха с патрубком подачи воды к форсункам, расположенным на шарнире.
На фиг.8 изображен дроссельный участок.
На фиг.9 изображены места крепления пилона к корпусу коллектора.
В термобарокамере 1 стенда на динамоплатформе 2 расположена аэродинамическая труба 3 на одной неподвижной опоре 5 и подвижной опоре 6. На расчетном расстоянии от входа в газотурбинный двигатель 7 расположено устройство для обводнения потока 4, состоящее из корпуса 8 с горизонтально расположенными пилонами 9 и форсунками 10 для создания водяной пыли, равномерно расположенными по сечению коллектора и образующими равносторонние треугольники со стороной а=220 мм, пластин, выполненных из листового материала расчетной толщины и имеющих в середине компенсатор температурных деформаций.
Пилон 9 состоит из коллектора подачи воздуха к форсункам 12, коллектора подачи воды к форсункам 13, обтекателя 14, теплоизоляции 15, теплоизоляции монтажной пеной 16, переходников 17 и форсунок 10 с шарнирным устройством 18 изменения угла впрыска водяной пыли. Коллектор подачи воздуха 12 представляет собой рамную сварную конструкцию, изготовленную из профильных труб квадратного сечения. По назначению делится на входной коллектор 19, дроссельные участки 20 и распределительный коллектор 21. На распределительном коллекторе имеются резьбовые переходники 17 для крепления форсунок 10. Коллектор подачи воздуха крепится к обечайке устройства для обводнения потока с одной стороны фиксированно через уплотнительную прокладку 22 винтами 23, с другой шарнирно опирается на втулки 24, 25. Во втулке 25 выполнено отверстие для подачи воздуха во входной коллектор 19. В винтах 23, втулке 24 и заглушке 32 выполнены каналы для замеров давления воздуха.
Внутри коллектора подачи воздуха проходит коллектор подачи воды к форсункам, состоящий из патрубков круглого сечения, соединенных квадратными муфтами 26 с патрубками 27, расположенными в верхней части для подачи воды к каждой форсунке. Водяной коллектор фиксированно крепится к щекам рамы воздушного коллектора. Обтекатель 14 состоит из обтекателя переднего 28 и двух обтекателей боковых 29, выполненных из нержавеющего листового материала толщиной 0,8 мм. Передний обтекатель крепится к раме воздушного коллектора с помощью винтов 30. Боковые обтекатели навешиваются на коллектор подачи воздуха 12 и соединяются между собой и передним обтекателем при помощи сварки, образуя обтекаемый тонкостенный профиль, механически не связанный с рамой воздушного коллектора. Между боковыми обтекателями и рамой прокладывается листовой теплоизоляционный материал 15, полость Г переднего обтекателя и полость Ж, образованная боковыми обтекателями, через специальные отверстия заполняется монтажной пеной 16. Таким образом получается изолированная от низких температур рабочего воздуха, подаваемого на вход газотурбинного двигателя, полость 3, внутри которой расположены водяной и воздушный коллекторы, что позволяет обеспечить надежную работу без замерзания форсунок во всем диапазоне имитации условий обледенения при стендовых испытаниях авиационных газотурбинных двигателей с присоединенным трубопроводом. Обтекатели 14 соединяются между собой и корпусом устройства для обводнения потока 8 с помощью пластин 11, выполненных из листового материала расчетной толщины и имеющих в середине компенсатор температурных деформаций, что позволяет разгрузить от сил тяжести, сил давления струи рабочего воздуха и сил, вызванных температурными деформациями, раму коллектора подачи воздуха.
1
2
Устройство для имитации условий обледенения при стендовых испытаниях авиационных газотурбинных двигателей в термобарокамере с присоединенным трубопроводом работает следующим образом. Согласно программе испытаний в присоединенном трубопроводе устанавливается давление и температура рабочего воздуха, подаваемая на вход в газотурбинный двигатель, соответствующая определенной высоте и скорости полета самолета. Предварительно при проведении калибровочных испытаний определяется давление воды и воздуха, подаваемого в форсунку для создания водяной пыли и получения равномерного обледенения лопаток компрессора на расчетных режимах. После выхода двигателя на расчетный режим происходит продувка коллекторов воздухом, а затем подача воды с экспериментально полученным при проведении калибровочных испытаний давлением. После снятия данных по тяге двигателя и расходу рабочего воздуха на этом режиме, водяной коллектор продувается воздухом для удаления воды. Далее газотурбинный двигатель выводится на следующий расчетный режим по высоте и скорости полета самолета. Системы подачи воды и воздуха в устройство для обводнения потока настраиваются на новые параметры и процесс испытания повторяется. Одним из основных условий надежной работы устройства является стабильность по величине давления по воздуху и воде, как между пилонами, так и между форсунками, расположенными вдоль пилона. Допустимый перепад как для воды, так и по воздуху не более 5 кПа. Для достижения этой цели в гидравлическую систему подачи воды в устройство для обводнения потока вводится высокоточная регулирующая арматура, которая учитывает разность величины расположения по высоте пилонов внутри устройства, т.е влияние на давление водяного столба, для выравнивания давления воздуха, подаваемого к форсункам, внутри коллектора между входным коллектором 19 и распределительным коллектором организованы дроссельные участки 20 для выравнивания давления по длине распределительного коллектора. На дроссельном участке за счет уменьшения проходного сечения между входным и распределительным коллектором и повышения гидравлического сопротивления до расчетной величины, равной 2Sмм, происходит выравнивание давления воздуха, подаваемого к форсункам, по длине распределительного коллектора, обеспечивая тем самым стабильную работу форсунок. Давление воздуха по пилонам настраивается с помощью регулирующей арматуры по давлению в распределительном коллекторе. При этом разность давлений по пилонам не превышает допускаемую величину 5 кПа. Как показал опыт, при калибровочных и штатных испытаниях после настройки давление воздуха в распределительном коллекторе по пилонам остается стабильным во всем диапазоне испытаний газотурбинного авиационного двигателя. При этом давление во входном коллекторе по пилонам разное по величине и перепадам между входным и распределительным коллекторами.
Испытания предложенного устройства для имитации условий обледенения при стендовых испытаниях авиационных газотурбинных двигателей с присоединенным трубопроводом показали стабильность работы во всем диапазоне испытаний газотурбинных двигателей, равномерность обледенения при калибровочных испытаниях с использованием мерной решетки и фазодоплеровской системы измерения характеристик обводнения воздушного потока.