УСТАНОВКА ДЛЯ ОЦЕНКИ СОВМЕСТИМОСТИ ТОПЛИВ ДЛЯ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С РЕЗИНОЙ, ПРИМЕНЯЕМОЙ В ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМАХ АВИАЦИОННЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
UNIT TO ESTIMATE COMPATIBILITY OF JET ENGINE FUELS WITH RUBBER USED IN AIRCRAFT GAS TURBINE ENGINE FUEL SYSTEMS

Изобретение относится к установкам для оценки эксплуатационных свойств топлив, в частности оценки совместимости топлив для реактивных двигателей с резинами преимущественно на основе нитрильного каучука, применяемыми в топливных системах авиационных газотурбинных двигателей, и может быть использовано в нефтехимической, авиационной и других отраслях промышленности.
Резинотехнические изделия, в том числе кольца, применяются в качестве уплотнительных элементов в топливных системах авиационных газотурбинных двигателей (ГТД). Находящиеся в среде топлив для реактивных двигателей резинотехнические изделия подвергаются воздействию агрессивных компонентов, вследствие которого физико-механические свойства резины снижаются. Потеря прочности и эластичности уплотнений, появление на них трещин приводит к потере их работоспособности. Внутренняя негерметичность элементов топливной автоматики управления в газотурбинных двигателях приводит к отказам и неисправностям авиационной техники: зависанию или раскрутке оборотов ротора, не выключению форсажа и др. Подтекание топлива из агрегатов двигателя из-за негерметичности резиновых уплотнений может привести к его возгоранию.
Известен метод и устройство для определения старения резины в реактивном топливе (АС СССР №561137, G01N 33/44), в котором испытание топлива на совместимость с резиной проводят в герметичной реакционной емкости, помещенной в твердотельный термостат. В испытаниях используют резиновые лопатки типа В (ГОСТ 270 Определение предела прочности резины при разрыве), из которых предварительно экстрагируют антиокислитель и определяют с помощью разрывной машины среднее (по двум лопаткам) начальное значение предела прочности , и относительного удлинения . Далее лопатки помещают в стеклянный стакан с испытуемым топливом, герметично закрывают его в реакционной емкости и выдерживают 5 часов при температуре 130÷150°С в термостате. После охлаждения топлива определяют среднее значение  и  лопаток. Считают топливо совместимым с резиной, если:
Недостатком этого метода и устройства является низкая достоверность результатов испытания из-за различия условий взаимодействия топлива с резиной при ее применении в авиадвигателях и при испытании, а также необходимость использования разрывной машины.
Наиболее близкой к изобретению по технической сущности, достигаемому положительному эффекту и взятой за прототип является установка, реализующая способ оценки совместимости топлив для реактивных двигателей с резиной, в состав которой входит твердотельный термостат с гнездом для герметичной реакционной емкости (стальной бомбы). В крышке реакционной емкости для контроля за герметичностью установлен манометр. В реакционной емкости размещен стеклянный стакан с испытуемым топливом. Между двумя зажимами располагают резиновое кольцо, применяемое в эксплуатации на авиатехнике (наружный диаметр - 16 мм; диаметр поперечного сечения - 2 мм). Верхний зажим представляет собой днище полого цилиндра, закрепленного в прорези силового каркаса. Внутри полого цилиндра проходит разъемная тяга. К нижней части разъемной тяги крепится цилиндрическая платформа, являющаяся нижним зажимом образца резины, размещенного в ее кольцевом пазу. Глубина паза выбрана из условия обеспечения заданного 15% значения осевой деформации (15% диаметра поперечного сечения образца резины). Верхняя часть разъемной тяги связана с плечом коромысла, закрепленного на силовом каркасе. Другое плечо коромысла связано последовательно с датчиком измерителя усилия сжатия (тензодатчик) и с преобразователем (пара винт - гайка со стопором) вращательного движения вала шагового электродвигателя, закрепленного на силовом каркасе, в возвратно-поступательное движение тяги. Момент достижения заданного значения осевой деформации фиксируется клеммой датчика величины сжатия образца резины (датчиком нажимного действия), установленным на цилиндрической платформе. Значение усилия сжатия, соответствующее этому моменту, регистрируется тензодатчиком. Измерение температуры в термостате осуществляют соответствующим датчиком температуры. Управление электродвигателем, измерение усилия сжатия образца резины, поддержание заданной температуры в термостате и регистрация момента срабатывания нажимного датчика производится блоком управления (патент РФ №2310842, G01N 33/22, 2007 - прототип).
Недостатком этой установки является погрешность результатов испытаний, связанная с трением в осях коромысла при передаче усилия сжатия на образец резины и с возможной неточностью при очередном креплении нажимного датчика на платформе. Фиксация значения усилия сжатия при 15% осевой деформации образца резины происходит при замыкании нажимного датчика в момент, когда движение вала шагового двигателя может находиться между импульсами, определяющими его шаг, что влечет за собой инерционное движение разъемной тяги вверх и, как следствие, неточность при определении усилия сжатия. Кроме того, отсутствует возможность погружения реакционной емкости в предварительно разогретый термостат и извлечение ее из термостата после прекращения нагрева до его охлаждения, что увеличивает время достижения заданной температуры топлива при его нагреве и время его охлаждения после окончания испытания, т.е. увеличивает продолжительность испытания.
Технический результат изобретения - повышение точности оценки показателя совместимости топлив для реактивных двигателей с резинотехническими изделиями, применяемыми в топливной системе авиационных газотурбинных двигателей, с одновременным снижением длительности испытания.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной установке для оценки совместимости топлив для реактивных двигателей с резиной, применяемой в топливных системах авиационных газотурбинных двигателей, содержащей силовой каркас, на горизонтальном основании которого закреплен твердотельный термостат с датчиком температуры в его стенке и нагревателем в его днище, установленную в специальное гнездо термостата герметично закрывающуюся крышкой реакционную емкость, внутри которой размещен стеклянный стакан для испытуемого топлива, узел создания нагрузки сжатия на образец резины, выполненный в виде закрепленного на силовом каркасе электродвигателя, связанного с измерителем усилия сжатия через преобразователь вращательного движения вала электродвигателя в возвратно-поступательное движение вертикальной разъемной тяги, помещенной в жестко закрепленный в крышке реакционной емкости полый цилиндр с возможностью ее свободного перемещения в центральном отверстии днища цилиндра, под которым размещена с возможностью замены закрепленная на торце разъемной тяги горизонтальная платформа, имеющая кольцевой паз, глубина которого выбирается из условия обеспечения значения максимально допустимой осевой деформации образца резины в 15% от диаметра его сечения, и клемму датчика величины сжатия образца резины, подключенную к блоку коммутации и управления, к другим соответствующим входам которого подключены датчик температуры термостата и датчик измерителя усилия сжатия, а выходы блока коммутации и управления соединены с исполнительными механизмами включения (отключения) электродвигателя и нагревателя термостата, согласно изобретению, верхняя часть силового каркаса выполнена в виде закрепленного на вертикальной стойке с возможностью перемещения и фиксации на заданной высоте короба, на котором установлена дополнительная клемма, связанная с блоком коммутации и управления, преобразователь вращательного движения вала электродвигателя в возвратно-поступательное движение разъемной тяги, выполненный в виде зубчатого редуктора, ведущая шестерня которого закреплена на валу электродвигателя, а ведомая - на полой втулке, на внутренней стороне которой в ее верхней части выполнена резьба, взаимодействующая со штоком, жестко связанным с датчиком измерителя усилия сжатия, к которому прикреплена верхняя часть разъемной тяги, а нижняя ее часть токоизолирована втулками с обеих сторон от полого цилиндра, на верхнем торце которого закреплена гибкая круговая мембрана, жестко связанная с разъемной тягой, горизонтальная платформа имеет равномерно распределенные по всей ее окружности радиальные проточки, сообщенные с кольцевым пазом, при этом электродвигатель, датчик измерителя усилия сжатия и преобразователь вращательного движения вала электродвигателя в возвратно-поступательное движение вертикальной разъемной тяги размещены в коробе силового каркаса.
На фиг.1 представлена блок-схема установки для оценки совместимости топлив для реактивных двигателей с резиной, применяемой в топливных системах авиационных газотурбинных двигателей (в разрезе);
на фиг.2 представлена цилиндрическая платформа (вид по А-А фиг.1);
на фиг.3 представлен узел крепления цилиндра в нижней горизонтальной стенке короба (вид по В-В фиг.1);
на фиг.4 представлен узел крепления штока в горизонтальной перегородке короба (вид по С-С фиг.1);
на фиг.5 представлена лицевая панель блока 39 коммутации и управления;
на фиг.6 представлена задняя панель блока 39 коммутации и управлении;
на фиг.7 представлен общий вид окна монитора 41 в процессе испытания.
Установка (фиг.1) содержит силовой металлический каркас, состоящий из горизонтального основания 1, вертикальной стойки 1а и короба 2 со сквозными боковыми окнами 2а в нижней его части. Короб 2 связан с кареткой 3, которая фиксируется на заданной высоте вертикальной стойки 1а при помощи эксцентрикового барабана. На горизонтальном основании 1 силового каркаса закреплен твердотельный термостат 4, в стенке которого установлен датчик 5 температуры (термопара до 200°С), а в днище - спиральный нагреватель 6 (мощностью ≈600 Вт).
3
3
В специальное гнездо термостата 4 установлена реакционная емкость 7 в виде металлического цилиндра (объемом 250 см). На днище реакционной емкости 7 помещен стеклянный стакан 8 (объемом 150 см) с испытуемым топливом 9. Реакционная емкость 7 герметично закрывается крышкой 10 с накидной гайкой 11. В крышке 10 жестко закреплен полый цилиндр 12.
В крышке 10 предусмотрено отверстие с токоизоляцией для проводника 13, имеющего внутреннюю 13а и внешнюю 13б клеммы. В крышке 10 имеется также отверстие для подсоединения датчика давления 14 (манометр до 0.4 мПа) для контроля за герметичностью реакционной емкости 7.
В центральном отверстии днища 15 полого цилиндра 12 помещен токоизолятор 16, внутри которого установлен с возможностью продольного перемещения участок нижней вертикальной разъемной тяги 17, верхний торец которой с помощью резьбы соединен с кольцевой пластиной 18. Тяга 17 состоит из нижнего участка и верхнего участка 17а, соединяемых разъемом. Нижний торец нижнего участка тяги 17 с помощью резьбы связан с горизонтальной цилиндрической платформой 19, в которой выполнен кольцевой паз для размещения образца резины 20 (резиновое кольцо наружным диаметром 16 мм; диаметром поперечного сечения 2 мм) и на которой расположена клемма 21 измерителя величины осевой деформации, соединенная с клеммой 13а. По всей окружности горизонтальной платформы 19 выполнены равномерно распределенные радиальные проточки 22 (фиг.2), сообщенные с кольцевым пазом, глубина 1,7 мм которого выбрана из условия обеспечения заданного значения 15% осевой деформации образца резины 20 аналогично прототипу.
Верхняя часть полого цилиндра 12 закреплена с помощью двух гаек 23 и 24 в прорези нижней горизонтальной стенки короба 2 (фиг.3). На верхнем торце полого цилиндра 12 установлена гибкая круговая мембрана 25, жестко связанная с проходящей через ее центр разъемной тягой 17. Разъемная тяга 17 выше мембраны 25 помещена в токоизолятор 26, установленный внутри полого винта 27, образующего с гайкой 28 разъем. Верхняя часть 17а разъемной тяги для соединения верхнего 17а и нижнего участков тяги 17 жестко связана с датчиком измерителя 29 величины усилия сжатия образца резины 20 (например, датчик силы ДСS-30). Измеритель 29 величины усилия сжатия жестко закреплен на цилиндрическом штоке 30, имеющим резьбу в верхней его части. В нижней части шток 30 имеет стопор 31, предотвращающий его круговое вращение и обеспечивающий его движение только по вертикали.
Стопор 31 выполнен в виде штифта, пропущенного через отверстие, перпендикулярное оси штока 30 (фиг.4). Стопор 31 размещен в продольном пазе, выполненном в силовой панели 32, жестко укрепленной в стенках короба 2. Верхняя резьбовая часть штока 30 введена во внутреннюю гаечную часть полой резьбовой втулки 33, которая снизу опирается на упорный подшипник 34, размещенный на силовой панели 32. Верхний торец втулки 33 центрируется с возможностью вращения в верхней горизонтальной стенке короба 2.
На наружной цилиндрической поверхности полой втулки 33 жестко закреплена ведомая шестерня 35, связанная с ведущей шестерней 36, жестко закрепленной на валу электродвигателя 37, установленного на силовой панели 32, что позволяет реализовать функцию преобразователя вращательного движения вала электродвигателя 37 в возвратно-поступательное движение разъемной тяги 17, 17а.
На наружной стороне короба 2 установлена дополнительная клемма 38 измерителя осевой деформации образца резины 20. Наличие клемм 38 и 21 обеспечивает соединение блока 39 коммутации и управления с платформой 19 и полым цилиндром 12 (изолированных друг от друга токоизоляторами 16 и 26).
На лицевой панели блока 39 (фиг.5) коммутации и управления расположены элементы управления (тумблер «Сеть» и кнопка «Задание температуры») и индикации (двустрочный знакоцифровой жидкокристаллический индикатор, светодиодные индикаторы «Состояние» и «Сжатие» и неоновый индикатор «Нагрев»). Двустрочный жидкокристаллический индикатор предназначен для отображения значений измеряемой температуры и заданной температуры статирования. На лицевой панели блока 39 (фиг.5) коммутации и управления также расположены разъем для связи с персональным компьютером «RS-232» и два раъема для подключения температурных датчиков «ТД-1» и «ТД-2».
На задней панели блока 39 (фиг.6) коммутации и управления расположены вентилятор, вилки «Сеть» и «Датчик сжатия», розетки «Термостат», «Шаговый привод» и блок предохранителей. Соответствующие выходы блока 39 коммутации и управления соединены с исполнительными механизмами включения (отключения) нагревателя 6 термостата 4 и электродвигателя 37.
Входящие аналоговые сигналы преобразуются в цифровые, пригодные для регистрации данных в персональном компьютере, состоящем из системного блока 40 и монитора 41 (любая ПЭВМ с конфигурацией, позволяющей использовать операционную систему не ниже WINDOWS 95).
Установка для оценки совместимости топлив для реактивных двигателей с резиной, применяемой в топливных системах авиационных газотурбинных двигателей, работает следующим образом.
Для предварительного нагрева термостата 4 включают блок коммутации и управления 39 (фиг.5), кнопкой «Задание температуры» задают температуру проведения испытания (например, 150°С) и кнопкой «Состояние» подают напряжение на нагреватель 6 термостата 4.
3
Испытуемое топливо 9 марки ТС-1 в количестве 50 см заливают в стеклянный стакан 8, который устанавливают в реакционную емкость 7.
В кольцевой паз с глубиной проточки 1,7 мм платформы 19 с клеммой 21 помещают образец резины 20 (марки ИРП-1078, ТУ 380051166).
На нижний торец тяги 17 устанавливают токоизолятор 16 и с помощью резьбы на ней закрепляют платформу 19 с образцом резины 20. Тягу 17 вставляют в полый цилиндр 12 и на верхнюю его часть навинчивают гайку 23.
В проточку разъемной тяги 17 устанавливают мембрану 25 и закрепляют гайкой 24. На верхнюю часть тяги 17 помещают полый винт 27, токоизолятор 26 и с помощью резьбы устанавливают цилиндрическую пластину 18. Соединительный провод 21а закрепляют между клеммами 21 и 13а.
Крышку 10 в сборе с жестко закрепленным в ней полым цилиндром 12, манометром 14 и проводником 13 устанавливают на реакционную емкость 7 и с помощью накидной гайки 11 герметично соединяют с реакционной емкостью 7.
Реакционную емкость 7 в сборе с крышкой 10, закрепленной на полом цилиндре 12, вводят в прорезь нижней горизонтальной стенки короба 2, который находится над предварительно нагретым до 150°С термостатом, и затягивают гайку 23.
Нижнюю 17 и верхнюю 17а части разъемной тяги соединяют через боковые окна 2а в коробе 2 с помощью полого винта 27 и гайки 28.
Для запуска программы управления процессом, согласно которой снимают характеристики изменения усилия сжатия образца резины 20, в окне монитора 41 (фиг.7) нажимают кнопку «Пуск», после чего включается электродвигатель 37, вращающий по часовой стрелке ведущую шестерню 36, которая передает вращательное движение на ведомую шестерню 35 большего диаметра с понижением ее оборотов. За счет жесткого закрепления шестерни 35 на полой втулке 33 по резьбе штока 30 происходит его перемещение вверх (с удержанием от вращения стопором 31) с усилием, которое через датчик 29 измерителя усилия сжатия передается разъемной тяге 17, 17а и сжимает образец резины 20. При сжатии образца резины 20 на 15% от диаметра его поперечного сечения верхняя торцевая часть платформы 19 и нижняя торцевая часть днища 15 полого цилиндра 12 касаются друг друга, происходит замыкание электрической цепи. Сигнал при замыкании ранее разорванной электрической цепи через клеммы 21, 38 передается в блок 39 коммутации и управления. По этому сигналу происходит остановка электродвигателя 37 и перемена направления движения его вала, после чего шток 30 начинает двигаться вниз. В момент размыкания электрической цепи между платформой 19 и торцевой частью днища 15 полого цилиндра 12 фиксируются текущие значения усилия сжатия Pi, соответствующие 15% осевой деформации образца резины 20.
До размещения реакционной емкости 7 в разогретый термостат фиксируют начальное  усилие сжатия образца резины 20 при комнатной температуре (15÷20)°С. При значениях усилия сжатия менее 30 Н или более 50 Н образец резины отбраковывают. Если значение усилия сжатия соответствует  Н, испытание продолжают. Короб 2 в сборе с реакционной емкостью 7 опускают в гнездо термостата 4 до упора, передвигая каретку 3 по вертикальной стойке 1а.
После погружения реакционной емкости 7 в термостат 4 значение усилия сжатия  с ростом температуры топлива постепенно повышается до максимального  в результате набухания резины, а затем снижается до  или остается без изменения.
Контроль за процессом испытания осуществляют по монитору 41 или в окне просмотра в странице «Таблица» или в странице «График усилий» (фиг.7). Согласно программе в процессе проведения испытания фиксируются значение отрезка времени τ испытания (4 часа от момента достижения , аналогично прототипу) и значения величин  и  усилия сжатия образца резины 20. По величине соотношения указанных значений по программе рассчитывается показатель совместимости топлива с резиной
где  - максимальное значение усилия сжатия образца резины 20 при 15% его осевой деформации, Н;
- минимальное значение усилия сжатия образца резины 29 при 15% его осевой деформации, Н;
τ - отрезок времени (4 часа от момента достижения ), час;
В нашем примере показатель совместимости топлива ТС-1 с резиной ИРП-1078 составил
На заявленной установке и установке-прототипе были испытаны две партии топлива марки ТС-1 и один образец топлива марки Т-6 с образцами резины ИРП-1078, наиболее распространенной в авиадвигателях (аналогично могут оцениваться образцы резины других марок, используемые в реактивных двигателях). По результатам испытаний была проведена оценка точности (сходимости) показателя совместимости W топлив с резиной. Оценку точности проводили согласно методическим указаниям Госстандарта РД 50-502-84. Результаты испытаний и расчетов представлены в таблице 1 и таблице 2.
Результаты испытания по оценке совместимости топлив для реактивных двигателей с нитрильной резиной ИРП-1078, полученные на заявленной установке (τ=4 часа).
Из сопоставления представленных в табл.1 и табл.2 данных видно, что точность результатов определения W на заявленной установке в 3-4 раза выше, чем на установке-прототипе.
15
Повышение точности определения показателя W-совместимости топлива с резиной на заявленной установке по сравнению с прототипом достигнуто за счет фиксации заданного усилия сжатия Р образца резины 20 в момент размыкания ранее замкнутой электрической цепи, наличия радиальных проточек по окружности горизонтальной платформы 19, применения разъемной тяги 17, 17а без использования коромысла. Кроме того, заявленная установка позволяет сократить рабочий цикл испытания за счет применения подвижного короба 2 с элементами 1а, 3, повысить надежность работы установки за счет снижения нагрузки на электродвигатель 37 и предотвращения его перегрева за счет наличия редуктора 35, 36.