Анализ и обобщение опыта реконструкции испытательной базы ГТД и разработка на его основе универсального алгоритма модернизации стенда

УДК 62-135

АНАЛИЗ И ОБОБЩЕНИЕ ОПЫТА РЕКОНСТРУКЦИИ ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ БАЗЫ ГТД И РАЗРАБОТКА НА ЕГО ОСНОВЕ УНИВЕРСАЛЬНОГО АЛГОРИТМА МОДЕРНИЗАЦИИ СТЕНДА

© 2018 В.А. Зрелов, О.А. Комаров, С.Ю. Дмитриев, А.А. Бобрик

ПАО «Кузнецов», г. Самара

Статья поступила в редакцию 04.06.2018

Проведены и проанализированы работы по модернизации стенда для серийных и опытных испытаний турбореактивных двухконтурных форсированных двигателей большой мощности с форсажной камерой. Описан исследуемый двигатель для стенда, его особенности, параметры и требования к проводимым испытаниям. Приведены сформированные данные о конструкции стенда, требования к модернизации. Описаны элементы стенда: технологические системы, инженерные сети, электрические сети, система автоматизированного испытания двигателя, строительные работы, а также проблемы, возникшие во время проводимой модернизации, приведены примеры решения этих проблем. На основе полученной информации составлен план и алгоритм работ по модернизации авиационных стендов: от составления технического задания до аттестации стенда. В соответствии с планом и алгоритмом, методика опробована для модернизации стендов других типов двигателях: турбовинтового и малоразмерного газотурбинного двигателя. Проведены работы по реконструкции стенда турбовинтового двигателя НК-12. Методика опробована для проектирования стенда МГТД. Статья адресована инженерно-техническим работникам авиадвигателестроительных ОКБ, научным работникам и управленческим кадрам, приступающим к работе над модернизацией или проектированием стенда для испытаний изделий предприятий.

Ключевые слова: ТРДДФ, ТВД, алгоритм, реконструкция, реконструкция, проектирование, модернизирование, испытательный стенд.

ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Предприятие ПАО «Кузнецов» является ведущим в России по производству и ремонту двигателей для дальней авиации ВКС РФ и ракетно-космической техники. В связи с необходимостью модернизации и обновления парка самолётов, оснащённых двигателями предприятия, а также работами, направленными на создание перспективных двигателей большей тяги и повышенной эффективности, особую актуальность для предприятия приобретают работы в области проведения модернизации стендов для испытаний и доводки серийных и опытных двигателей.

Главные задачи данной работы:

1. Проведение модернизации испытательного стенда для ТРДДФ.

2. Формирование на основе полученной информации универсального алгоритма модернизации стенда.

Зрелов Владимир Андреевич, доктор технических наук, профессор кафедры конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов Самарского университета. E-mail: zrelov07@mail.ru Комаров Олег Александрович, аспирант, ведущий инженер по наладке и испытаниям двигателей. E-mail: o_komarov@mail.ru

Дмитриев Семён Юрьевич, аспирант, инженер-конструктор. E-mail: d.s.93@mail.ru Бобрик Алексей Александрович, аспирант, инженер-конструктор. E-mail: bobrik000al@mail.ru

3. Применение на практике алгоритма модернизации стенда испытаний и доводки ТВД НК-12 и проектирование аналогичного стенда для отработки микро-ГТД.

Требования к современному испытательны-му оборудованию меняются, возникает необходимость модернизации и автоматизации существующих стендов. Поэтому весьма актуальной следует признать разработку и применение на практике универсального алгоритма модернизации стендов для испытаний и доводки ГТД различной тяги и конструкции.

Цель данной работы - создание универсального алгоритма для модернизации испытательного стенда ГТД на основе обобщения опыта предприятия в области реконструкции стендовых систем.

АНАЛИЗ СИСТЕМ СТЕНДА

Испытательный корпус (рис. 1) имеет 2 бокса и предназначен для испытания 2 типов двигателей: мощных ТВД и ТРДДФ.

Для испытания новых и отремонтированных двигателей предприятием была поставлена задача реконструкции и технического перевооружения соответственно испытательных стендов № 1 и 2. В требуемый перечень испытаний входит весь спектр испытаний серийных и опытных двигателей.

Для ТРДДФ проводятся испытания с подогревом воздуха на входе в двигатель (имитация сверхзвукового полёта).

В стенде присутствуют следующие системы:

1. Строительные конструкции.

2. Электрические сети.

3. Технологические системы.

4. Автоматизированная система испытания двигателей.

5. Внешние и внутренние инженерные сети.

Рис. 1. Реконструированный испытательный корпус ПАО «Кузнецов» [2]

Строительные конструкции. Первыми были выполнены работы по модернизации испытательного бокса: ремонт стен, потолков, восстановление технологических площадок. Особое внимание было уделено модернизации прямоточного входного устройства и трёхступенчатого эжекторного выхлопа, а также мероприятиям по шумоглушению во время испытания (входное защитное устройство, щит шумоглушения, башня шумоглушения выходного устройства, установка панелей шумоглушения бокса).

Боксы стенда - прямоточной конструкции (рис. 2) без шахты всасывания, что отличает их от остальных серийных стендов предприятия большими габаритами и шумностью, но при этом имитацией условий функционирования, более близким к полётным. В результате работ по модернизации было принято решение об

а)

установке больших щитов шумоглушения напротив входного устройства и модернизации входного защитного устройства (ВЗУ), что привело к снижению шума в прилегающих зонах до уровней, не превышающих допустимых СанПиН значений. Совместно с этим модернизация ВЗУ обеспечила защиту двигателя от попадания посторонних частиц и выравнивание поля скоро-стей\давлений\температуры на входе в бокс.

Была проведена модернизация трёхступенчатого эжекторного выхлопного устройства (ЭВУ) для улучшения шумоглушения и рассеивания вредных выбросов до норм СанПиН. ЭВУ было оснащено механизмом автоматического закрытия при возникновении пожара и системой блокировки-остановки запуска при нераскрытии-закрытии защитной шторки ВЗУ. ВЗУ и ЭВУ выдерживают все температурные, аэродинамические вибрационные и акустические нагрузки, возникающие во время испытания двигателя, в том числе и на нерасчётных аварийных и помпажных режимах.

Электрические сети. Во взрыво- и пожароопасных помещениях всё оборудование и электросистемы выполнены во взрывобезопасном исполнении, все электроприборы стенда с заземлением. Электросистемы спроектированы с запасом по мощности для предотвращения аварийных ситуаций, чтобы все потребители энергии были обеспечены электропитанием.

Стендовые электросистемы делятся на 4 типа потребителей: 27 В, 220 В, 380 В - 50 Гц и 115 В - 400 Гц. Организация электропитания происходит от 2 электрических линий, питание сетей 220В и 380В, а также 27В и 115В было организовано от двух источников электроэнергии через трансформатор. Высокочастотная сеть 115В требуется для питания ЭСУД. Питание происходит

б)

I-1 1 1 •ч_ Н1 1 1 -»

» 1 1- У > - "Г" 1 I ^ 1

7

Рис. 2. Схемы оформления проточных частей боксов [1]: а - бокс стенда № 1 для ТРДДФ; б - бокс стенда № 2 для ТВД; 1 - ВЗУ; 2 - испытываемый двигатель; 3 - ЭВУ

от источника переменного тока, преобразуется через выпрямитель в 27В. Модернизацией также предусмотрен источник бесперебойного питания, работающий при отключении электроэнергии. Время работы этой системы рассчитывалось для проведения требуемых технологических операций по остановке двигателя в случае аварийного отключения электроэнергии.

В целях проверки генераторов основного изделия предусмотрена система их загрузки, предназначенная для имитации работы самолётных агрегатов в время полёта в соответствии с циклограммой испытания.

Технологические системы. Цель систем состоит в том, чтобы обеспечивать непрерывное питание всех потребителей горюче-смазочными материалами и воздухом, с заданными массовыми расходами и классом чистоты во всём рабочем диапазоне давлений, в том числе и на переходных режимах. До модернизации стенда питание осуществлялось централизованно со станции горюче-смазочных материалов (ГСМ), система была ненадёжна из-за низкой ремонтопригодности и сложностей при взаимодействии между подразделениями завода. В связи с этим возникали проблемы фильтрации рабочих тел и слива системы для проведения регламентных работ и ремонта.

В результате модернизации были реализованы:

1. Дистанционное управление и анализ состояния стенда;

2. Подготовка и заправка систем из масляных ёмкостей;

3. Система фильтрации и поддержания масел в заданном состоянии;

4. Аварийный и технологический слив системы в бак отходов и топливохранилище.

Во время модернизации стенда, в соответствии с принципами «бережливого производства», были решены вопросы универсализации и снижения типовой номенклатуры узлов. Системы стали отличаться простотой эксплуатации и технического обслуживания, улучшенной ремонтопригодностью и герметичностью, маркированием всех трубопроводов и отсутствием взаимного касания. При модернизации системы стенда были заменены на аналогичные существовавшим, с полной заменой оборудования.

Воздушная система стенда включает в себя компрессорную станцию, предназначенную для обдува генератора постоянного тока, обдува блоков ЭСУД, систему забора проб воздуха на проверку и анализы воздуха, отбираемого для самолётных нужд, а также воздушную систему запуска ГТД.

При проведении квалификационных и комиссионных (периодических) испытаний изделий, работающих с подогревом рабочего тела

на входе (для имитации сверхзвукового полёта) используется двигатель НК-8. Конструкцией ТРДДФ предусмотрен запуск от вспомогательного ГТД (ВГТД) ТА-6, для испытаний решено использовать аналогичный по параметрам ТА-18. В случае выхода из строя ВГТД, для гарантированного запуска испытываемого изделия и НК-8 воздушной системой предусмотрено двукратное резервирование двигателей ТА-18. Запуск ТА-18 осуществляется с помощью собственного стартёра-генератора ТС-12ТО. В качестве второй дублирующей системы реализован запуск испытываемых изделий от расположенного в соседнем корпусе переоборудованного ТВД НК-12, по надземной воздушной магистрали. В целях предотвращения помпажа при совместном включении\отключении ТА-18, а также защиты воздушно-пусковых турбин изделия при возникновении аварийных ситуаций (разрушение или отрыв лопаток ВГТД) в воздушную систему запуска введён фильтр-ресивер.

Топливная система стенда предназначена для питания испытываемого изделия, НК-8 и двух ВГТД. С помощью топливной системы проводятся технологические операции по проверке агрегатов, приводимых керосином. Используемый изделиями керосин марки РТ или Т8В подаётся централизованно из топливохранилища.

Система консервации используется для консервации основного изделия, ВГТД и двигателя подогревателя, а также внутренней консервации полостей, сборочных единиц двигателя и его агрегатов после окончания испытаний маслом ИПМ-10. Система консервации испытываемого двигателя обеспечивает промывку масло-системы испытываемого изделия.

Масляная система стенда предназначена для питания маслом и заправки с заданным давлением основного изделия и НК-8, исследования работоспособности автономной двигательной системы смазки, моделирования эксплуатационных условий работы двигателя, заправки мас-лосистемы генератора-привода и проведения специальных испытаний. Во время испытаний используются синтетические углеводородные масла АМГ-10 и ИПМ-10, охлаждаемые противо-точными водяными стендовыми радиаторами и радиаторами изделия.

Гидросистема обеспечивает загрузку и прокачку гидронасосов двигателя гидрожидкостью АМГ-10, которая необходима для работы систем самолёта, с целью проверки и имитации работы гидравлики самолёта по полётному циклу.

Разработка систем велась на основе СРБ расчётов с учётом потерь напора на участках от насосов, клапанов, и фильтров ГСМ до двигателя. Трубопроводы приобрели достаточное количество технологических разъёмов, обеспечивающих в процессе эксплуатации удобство мон-

тажа-демонтажа элементов системы, а также проведение регламентных работ.

Внешние и внутренние инженерные сети. Во время работ по модернизации стенда на основе современных требований созданы все сооружения и коммуникации, непосредственно используемые в процессе тепло-, газо-, водоснабжения и водоотведения.

На стенде была реализована видеосистема кругового обзора за изделием, НК-8 и ТА-18, состоящая из 8 промышленных видеокамер, установленных по периметру бокса с выводом изображения в пультовую.

Установлены связанные: радио-шлемофон-ная система, система громкоговорителей и аварийная сигнализация. Модернизована инфраструктура здания для проведения локальной вычислительной сети предприятия. Введены пожарная сигнализация с автоматической угле-кислотной системой пожаротушения и система безопасности с «тревожной кнопкой».

Автоматизированная система испытания двигателя. АСИД является одной из самых технически сложных систем стенда. Измерительные системы стенда физически и морально устарели, многие комплектующие не выпускаются, невозможна реализация автоматизированной системы обработки и записи данных из-за наличия большого числа косвенных измерений. В модернизированной системе предусмотрены:

автоматизированная программа испытания двигателя в соответствии с технологическим процессом;

снятие параметров двигателя и стендовых систем в реальном времени и максимально близко к месту замера;

автоматизация регистрации, обработки, сбора, ведение протокола испытания, отображение графиков параметров;

• дистанционные управление и контроль работы стендовых систем (задвижки, насосы, проточные подогреватели, радиаторы).

• комплексная система контроля, охватывающая все этапы технологического процесса испытания и отработки систем изделия, запись действий операторов АРМ;

включение систем пожаротушения и безопасности, отображение аварий и предупреждений об отклонении параметров от нормы;

доступная и быстрая градуировка измерительных систем.

В состав системы входят:

система сбора данных (датчики температуры, давления, частот вращения валов, вибраций, тяги, расходов прокачки ГСМ, параметров агрегатов);

• механическая рычажная система управления РУД;

• сервер синхронизации команд ЭСУД-АСИД.

пульт управления и табло самолётных агрегатов.

АЛГОРИТМ МОДЕРНИЗАЦИИ СТЕНДА

Перед работами по модернизации необходимо составить ТЗ. В случае военного предприятия согласование ТЗ на модернизацию в соответствии с ГОСТ 1 01021-93 должно проводиться при участии заказчика, в случае реализации государственного оборонного заказа - с военным представителем ВКС РФ. В ТЗ необходимо указать: заказчика, обоснование работ, сроки проведения работ, особые требования к подрядчикам, все системы и работы, которые должны быть проведены и прочее. Учитывая комплексность многих систем, требования к ним могут присутствовать в нескольких группах работ, что ведёт к необходимости параллельной итеративной работе над ними. Классификацию систем предложено выполнять по примеру из предыдущего раздела. После полного согласования ТЗ, модернизацию предложено разбить на 2 этапа:

1. Разработка проектной документации в объёме, необходимом и достаточном для прохождения экспертизы и проверки сметы комиссией заказчика.

2. Разработка всей необходимой рабочей и конструкторской документации.

Сквозную проектную работу над модернизацией предлагается выполнять по алгоритму (рис. 3):

1. Принципиальная схема;.

2. Планировочное решение.

3. Расчёт системы.

4. Подбор комплектующих.

5. Формирование окончательной модели.

Модернизацию предлагается выполнять в

следующем порядке:

1. Строительные работы, модернизация здания, инженерных сетей и систем, вспомогательного оборудования.

2. Модернизация бокса стенда, вспомогательных помещений, инженерно-технологических систем, монтаж вспомогательного оборудования.

3. Монтаж АСИД, пусконаладочные работы, аттестация стенда.

На основе полученного алгоритма была проведена работа по модернизации стенда №2 для ТВД. Несмотря на то, что испытываемые ТВД и ТРДДФ различны по типу и конструкции и имеют различия в системе управления, алгоритм модернизации стендов был подобен. Отличия заключались в следующем.

1. Наличие специального аэродинамического кольца для испытания НК-12.

Рис. 3. Алгоритм модернизации авиационного испытательного стенда

Аэродинамическое кольцо - это металлическое специальное сооружение, предназначенное для формирования равномерного набегающего на винт потока. Учитывалось как строительное сооружение и накладывало ограничения при повторной аттестации стенда.

2. Наличие дополнительных испытательных систем, предназначенных для испытания отдельных агрегатов изделия.

Дополнительные испытательные системы введены как часть работы в проектном этапе (рис. 2) в области технологических систем.

3. Силоизмерительная система для НК-12.

Силоизмерительная система стенда для испытания ТВД НК-12 включает систему измерения крутящего момента с датчиком крутящего момента вала, установленном на двигателе. Тяга рассчитывалась по формуле [4]:

N. = Щ + 0,91РРС, где: Мэ - мощность эквивалентная;

= Мкр  ш - г} - мощность винта, кВт;

Ррс - тяга реактивного сопла, кН.

Проектирование стенда для испытания МГТД осуществлялось с применением разработанного алгоритма. При работах возникли проблемы на проектном этапе в отношении планировочных решений и подборе комплектующих для системы АСИД. Проблемы возникали из-за невозможности расположения достаточного количества

датчиков и, соответственно, отсутствия возможности получения исчерпывающей информации о рабочем процессе. В итоге было принято решение определять значения некоторых параметров (тяга, физический расход топлива) на основе анализа виртуальной модели двигателя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В исследовании представлен анализ систем восстановительных работ над стендовой базой предприятия ПАО «Кузнецов». Сформирован перечень систем стенда для испытания ГТД. Предложен алгоритм модернизации стенда. Разработанный алгоритма применён при модернизации стенда для испытания ТВД НК-12 и его модификаций.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Испытания авиационных двигателей: учебник для вузов [под общ. ред. В.А. Григорьева и А.С. Гишварова]. М.: Машиностроение, 2009. 504 с.

2. Информационный портал «Волга-Ньюс». URL: http://volga.news/article/449942.html (дата обращения 14.05.2018).

3. Зрелов В.А. Отечественные газотурбинные двигатели. Основные параметры и конструктивные схемы. М.: Машиностроение, 2005. 260 с.

4. Кулагин В.В. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. М.: Машиностроение, 2005. 297 с.

ANALYSIS AND GENERALIZATION OF EXPERIENCE IN RECONSTRUCTION OF THE GTD TEST BASE AND DEVELOPMENT ON ITS BASIS OF A UNIVERSAL ALGORITHM FOR THE MODERNIZATION OF THE TEST STAND

© 2018 V.A. Zrelov, O.A. Komarov, S.Yu. Dmitriev, A.A. Bobrik

JSC «Kuznetsov», Samara

In work studied and analyzed modernization of jet engine testing facility for serial and experimental tests. Engine for research is low-bypass three-spool turbofan with afterburner. Described tested engine, its features, construction of facility, parameters and requirements for the tests. Design of the test stand, requirements for modernization are given. Elements of the facility are described: technological systems, engineering networks, electrical networks, automated engine testing system, construction works. Problems and solutions about modernization are given. According to received information during modernization, was suggested an algorithm for the modernization of aviation test stands: from preparation of the technical assignment up to the attestation of the facility. Algorithm was tested during modernization works for other types of engines stands: a turboprop and a small-sized gas turbine engine. The reconstruction of the test stand of the turboprop engine NK-12 was studied according to the algorithm. The technique is tested for small-sized gas turbine engine test stand. The article is addressed to engineers and technicians of aircraft engine bureaus, scientists and management personnel who are starting work on upgrading or designing a test facility for aviation engines.

Keywords: low-bypass three-spool turbofan, turboprop engine, algorithm, reconstruction, design, modernization, jet engine testing facility.

Vladimir Zrelov, Doctor of Technics, Professor at the Aircraft Engines Design Department. E-mail: zrelov07@mail.ru

Oleg Komarov, Postgraduate Student, Lead Test Engineer. E-mail: o_komarov@mail.ru

Semyon Dmitriev, Postgraduate Student, Engine Designer. E-mail: d.s.93@mail.ru

Alexey Bobrik, Postgraduate Student, Engine Designer. E-mail: bobrik000al@mail.ru