ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ. СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ. СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ПАРТИИ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (ВАРИАНТЫ). СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS-TURBINE ENGINE, TEST METHOD OF GAS-TURBINE ENGINE, PRODUCTION METHOD OF BATCH OF GAS-TURBINE ENGINES (VERSIONS), AND OPERATING METHOD OF GAS-TURBINE ENGINE

Группа изобретений, связанных единым творческим замыслом, относится к области авиадвигателестроения, а именно к авиационным двигателям типа газотурбинных, способам их испытания, опытного и промышленного производства и эксплуатации.
Известен газотурбинный двигатель, выполненный двухконтурным, содержит корпус с размещенным в нем турбокомпрессорным блоком, включающим компрессоры и турбины высокого и низкого давления, по меньшей мере, одну основную камеру сгорания, реактивное сопло, системы подачи воздуха и воздушного охлаждения, гидравлические топливную и масляную системы, а также системы мониторинга и управления работой двигателя (Клячкин А.Л. Теория воздушно-реактивных двигателей. - М.: Машиностроение, 1969, стр.296-396).
Известен способ испытаний газотурбинного двигателя с учетом сезонных факторов проведения испытаний, включающий установленную в техническом задании наработку на режиме максимальной тяги на стационарном режиме и переменные режимы с выходом на указанный режим максимальной тяги при существующей в период испытаний температуре атмосферного воздуха. В конечной стадии испытаний двигатель выводят на режим максимальной тяги, повышают температуру воздуха на входе в двигатель до величины, превышающей наружную температуру на 50-180°С, и дают дополнительную наработку и дополнительные выходы на режим максимальной тяги (RU 2210066 C1, опубл. 10.08.2003).
Известен способ разработки и испытаний авиационных двигателей, заключающийся в измерении параметров по режимам работы двигателя и приведении их к стандартным атмосферным условиям с учетом изменения свойств рабочего тела и геометрических характеристик проточной части двигателя при изменении атмосферных условий (Ю.Л.Литвинов, В.О.Боровик. Характеристики и эксплуатационные свойства авиационных турбореактивных двигателей. Москва: Машиностроение, 1979, с.136-137).
Известен способ разработки и испытаний авиационных двигателей типа газотурбинных, включающий отработку заданных режимов, контроль параметров и оценку по ним ресурса и надежности работы двигателя. С целью сокращения времени испытаний при доводке двигателей 10-20% испытания проводят с температурой газа перед турбиной, превышающей максимальную рабочую температуру на 45-65°С (SU 1151075 A1, опубл. 10.08.2004).
Известен способ промышленного производства авиационных двигателей типа газотурбинных, включающий изготовление и заводскую сборку силовых, контролирующих, командных и исполнительных агрегатов, блоков и систем двигателя, включая компрессоры, турбины, камеры сгорания воздушную, топливную и масляную системы и систему управления двигателем (Богуслаев В.А., Качан А.Я., Долматов А.И., Мозговой В.Ф., Кореневский Е.Я. Технология производства авиационных двигателей Запорожье. Изд. Мотор Сич, 2009 [учеб.]; 4.1 Сборка авиационных двигателей, Раздел 3, с.26-61.
Известен способ эксплуатации авиационных двигателей, включающий операции обслуживания, предполетной подготовки, запуска, прогрева, вывода на предусмотренные регламентом полетные режимы и останов двигателя, а также профилактику, текущие и капитальный ремонты (Ю.А.Литвинов, В.О.Боровик. Характеристики и эксплуатационные свойства авиационных турбореактивных двигателей. Москва: Машиностроение, 1979, с.136-137).
Общими недостатками указанных известных технических решений являются повышенная трудо- и энергоемкость испытаний и недостаточно высокая оценка ресурса и надежности работы двигателя в широком диапазоне полетных режимов и условий эксплуатации, вследствие неотработанности программы приведения конкретных результатов испытаний к результатам, отнесенным к стандартным условиям эксплуатации двигателя известными способами, которые не учитывают с достаточной корректностью изменение параметров и режимов работы двигателя. Это осложняет возможность приведения экспериментальных параметров испытаний к параметрам, максимально приближенным к реальной структуре и удельному соотношению режимов работы двигателя в процессе эксплуатации, на каждой из стадий разработки, доводки, опытно-промышленного, серийного производства и эксплуатации авиационных двигателей.
Задача изобретения состоит в разработке авиационных двигателей типа газотурбинных, способов их испытаний, доводки, опытного и промышленного производства и эксплуатации с повышенной достоверностью результатов испытаний на любом из этапов от опытно-промышленного образца до промышленного производства и летной эксплуатации авиационных двигателей, в том числе с включением разработки типовых полетных циклов, определения ресурса и надежности двигателя в условиях, максимально приближенных к реальной структуре и удельному соотношению режимов работы двигателя в процессе эксплуатации.
Поставленная задача в части способа испытания газотурбинного двигателя (ГТД) решается тем, что, испытание, согласно изобретению, включает чередование режимов при выполнении этапов испытания длительностью работы газотурбинного двигателя, превышающей программное время полета, для чего сначала формируют типовые полетные циклы и определяют повреждаемость наиболее нагруженных деталей, исходя из этого определяют необходимое количество циклов нагружения при испытании, а затем формируют полный объем испытаний, включающий выполнение последовательности испытательных циклов - быстрый выход на максимальный или полный форсированный режим, быстрый сброс на режим «малого газа», останов и цикл длительной работы с многократным чередованием режимов во всем рабочем спектре с различным размахом диапазона изменения режимов работы газотурбинного двигателя, в совокупности превышающем время полета в 5÷6 раз, при этом различный размах диапазона изменения режимов работы двигателя реализуют, изменяя уровень перепада газа в конкретных режимах испытания от начального до наибольшего - максимального или полного форсированного режима работы газотурбинного двигателя путем переноса начальной точки отсчета при выполнении соответствующего режима, принимая последнюю в одном из режимов в положении, соответствующем уровню «малый газ», а в других режимах - в промежуточных или конечном положениях, соответствующих различным процентным долям или полному значению уровня газа максимального или полного форсированного режима, причем быстрый выход на максимальный или форсированный режимы на части испытательного цикла осуществляют в темпе приемистости и сброса.
При этом часть испытательных циклов могут осуществлять без прогрева на режиме «малый газ» после запуска.
Испытательный цикл могут формировать на основе полетных циклов для боевого и учебного применения газотурбинного двигателя.
Поставленная задача в части способа производства партии газотурбинных двигателей, в котором выполняют опытную партию ГТД, при этом производят, по меньшей мере, сборку каждого опытного двигателя, в том числе монтируют корпус и силовые агрегаты двигателя, включая компрессорный блок, турбины, реактивное сопло, не менее чем одну камеру сгорания, воздушную, а также гидравлические топливную и масляную системы, мониторинговые, командные и исполнительные элементы, блоки и системы и подвергают испытанию смонтированные опытные ГТД на определение ресурса и надежности в условиях многорежимных полетов, решается тем, что, согласно изобретению, испытания производят указанным выше способом испытания ГТД, по завершению программы испытаний анализируют полученные результаты, устраняют выявленные недостатки, при необходимости вносят изменения в конструкцию или в отдельные узлы ГТД и считают опытный образец выполненным и соответствующим заданной программе.
Поставленная задача в части газотурбинного двигателя решается тем, что, согласно изобретению, двигатель выполнен многовальным, содержит корпус с размещенными в нем компрессорным блоком, по меньшей мере, основной камерой сгорания, турбинами высокого и низкого давления, реактивным соплом, кроме того, двигатель включает воздушную систему, а также гидравлические - топливную и масленую системы, а также системы текущего мониторинга работы всех агрегатов двигателя, систему управления, включающую блоки сбора, оперативной обработки текущей рабочей информации с выдачей команд, органы управления и подчиненные им исполнительные блоки и агрегаты перечисленных систем, при этом двигатель испытан способом по любому из п.п.1-3 на определение ресурса и надежности по программе воспроизведения условий летной эксплуатации, максимально приближенных к реальной структуре и удельному соотношению заданных режимов работы газотурбинного двигателя.
Поставленная задача в части способа производства партии газотурбинных двигателей, в котором осуществляют, по меньшей мере, серийную промышленную заводскую сборку двигателей, при этом в каждом двигателе монтируют корпус и силовые агрегаты двигателя, включая компрессоры, турбины, не менее чем одну камеру сгорания, воздушную, а также гидравлические топливную и масляную системы, мониторинговые, командные и исполнительные элементы, блоки и системы и производят стендовые испытания серийных газотурбинных двигателей из партии идентично произведенных ГТД, решается тем, что, согласно изобретению, испытанию подвергают группу двигателей из промышленной партии ГТД и производят испытания приведенным выше способом испытания ГТД на определение ресурса и надежности работы серийно промышленно произведенного двигателя и проверку их соответствия заданным значениям, при необходимости с последующим переводом результатов испытаний, полученных в конкретных атмосферно-климатических условиях, к значениям, соответствующим стандартным атмосферным условиям, с возможностью последующего пересчета конечных результатов, при необходимости, к любым другим требуемым атмосферно-климатическим условиям, для работы в которых предназначен тот или иной серийный двигатель или партия одновременно произведенных идентичных газотурбинных двигателей с возможным внесением указанных сведений в техническую документацию двигателя.
Поставленная задача в части способа эксплуатации газотурбинного двигателя, в котором перед каждым запуском выполняют проверку готовности двигателя к работе, производят запуск, прогрев и вывод двигателя на предусмотренные регламентом рабочие режимы, периодически производят профилактические осмотры, текущие ремонты, а также, по меньшей мере, один капитальный ремонт, решается тем, что, согласно изобретению, после капитального ремонта двигатель подвергают стендовым испытаниям приведенным выше способом испытания ГТД на определение ресурса и надежности работы двигателя, по результатам которых, при необходимости, производят послеремонтную доводку и, если необходимо, вариантно выполняют дополнительные испытания, скоррелированные с тематическим содержанием послеремонтной доводки и регламентом последующего этапа эксплуатации газотурбинного двигателя.
При этом после капитального ремонта и/или послеремонтной доводки газотурбинный двигатель могут подвергать испытанию на помпаж и определение границ газодинамической устойчивости работы.
Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков, состоит в разработке способа испытаний, повышающем достоверность результатов испытаний, что достигается за счет разработанных в изобретении чередованием режимов при выполнении этапов испытания, которые по длительности превышают программное время полета, при этом предварительно формируют типовые полетные циклы, на основании которых по программе определяют повреждаемость наиболее загруженных деталей и исходя из этого определяют необходимое количество циклов нагружения при испытании. Формируют полный объем испытаний, включая быструю смену циклов в полном регистре от быстрого выхода на максимальный либо полный форсированный режим до полного останова двигателя, и затем репрезентативный цикл длительной работы с многократным чередованием режимов во всем рабочем спектре с различным размахом диапазона изменения режимов, превышающем время полета не менее чем в 5 раз, причем быстрый выход на максимальный или форсированный режим на части испытательного цикла осуществляют в темпе приемистости и сброса. Это позволяет упростить последующие испытания, повысить корректность и расширить репрезентативность оценки ресурса и надежности работы двигателя на всех этапах создания, доводки, серийного промышленного производства и летной эксплуатации газотурбинных двигателей с корректным распространением репрезентативных оценок на широкий диапазон региональных и сезонных условий последующей летной эксплуатации двигателей, выполняемой в соответствии с изобретением.
Способ испытания газотурбинного двигателя включает чередование режимов при выполнении этапов испытания длительностью работы двигателя, превышающей программное время полета. Сначала формируют типовые полетные циклы и определяют повреждаемость наиболее нагруженных деталей. Исходя из этого определяют необходимое количество циклов нагружения при испытании. Затем формируют полный объем испытаний, включающий выполнение последовательности испытательных циклов - быстрый выход на максимальный или полный форсированный режим. Быстрый сброс на режим «малого газа». Останов. Далее выполняют цикл длительной работы с многократным чередованием режимов во всем рабочем спектре с различным размахом диапазона изменения режимов работы газотурбинного двигателя, который в совокупности превышает время полета в 5÷6 раз. Различный размах диапазона изменения режимов работы при испытаниях газотурбинного двигателя реализуют, изменяя уровень перепада газа в конкретных режимах испытания от начального до наибольшего - максимального или полного форсированного режима работы газотурбинного двигателя путем переноса начальной точки отсчета при выполнении соответствующего режима. Последнюю принимают в одном из режимов в положении, соответствующем уровню «малый газ». Другие режимы выполняют с начальной точкой отсчета в промежуточных или конечном положениях, что соответствует различным процентным долям или полному значению уровня газа максимального или полного форсированного режима. Быстрый выход на максимальный или форсированный режимы на части испытательного цикла осуществляют в темпе приемистости и сброса.
Часть испытательных циклов при испытаниях газотурбинного двигателя осуществляют без прогрева на режиме малый газ после запуска.
Испытательный цикл при испытаниях газотурбинного двигателя формируют на основе полетных циклов для боевого и учебного применения двигателя.
В способе производства партии газотурбинных двигателей выполняют опытную партию ГТД. Производят, по меньшей мере, сборку каждого опытного двигателя, в том числе монтируют корпус и силовые агрегаты двигателя, включая компрессорный блок, турбины, реактивное сопло, не менее чем одну камеру сгорания, воздушную, а также гидравлические топливную и масляную системы, мониторинговые, командные и исполнительные элементы, блоки и системы. Подвергают испытанию смонтированные опытные ГТД на определение ресурса и надежности в условиях многорежимных полетов. Испытания производят приведенным выше способом испытания ГТД. По завершении программы испытаний анализируют полученные результаты. Устраняют выявленные недостатки. При необходимости вносят изменения в конструкцию или в отдельные узлы ГТД и считают опытный образец выполненным и соответствующим заданной программе.
Газотурбинный двигатель выполнен многовальным. Двигатель содержит корпус с размещенными в нем компрессорным блоком, по меньшей мере, основной камерой сгорания, турбинами высокого и низкого давления, реактивным соплом. Двигатель включает воздушную систему, а также гидравлические - топливную и масленую системы, а также системы текущего мониторинга работы всех агрегатов двигателя, систему управления, включающую блоки сбора, оперативной обработки текущей рабочей информации с выдачей команд, органы управления и подчиненные им исполнительные блоки и агрегаты перечисленных систем. Двигатель испытан приведенным выше способом испытания ГТД на определение ресурса и надежности по программе воспроизведения условий летной эксплуатации, максимально приближенных к реальной структуре и удельному соотношению заданных режимов работы газотурбинного двигателя.
В способе производства партии газотурбинных двигателей осуществляют, по меньшей мере, серийную промышленную заводскую сборку двигателей. В каждом двигателе монтируют корпус и силовые агрегаты двигателя, включая компрессоры, турбины, не менее чем одну камеру сгорания, воздушную, а также гидравлические топливную и масляную системы, мониторинговые, командные и исполнительные элементы, блоки и системы. Производят стендовые испытания серийных газотурбинных двигателей из партии идентично произведенных ГТД. Испытанию подвергают группу двигателей из промышленной партии ГТД и производят испытания приведенным выше способом испытания ГТД на определение ресурса и надежности работы серийно промышленно произведенного двигателя и проверку их соответствия заданным значениям. При необходимости переводят результаты испытаний, полученные в конкретных атмосферно-климатических условиях, к значениям, соответствующим стандартным атмосферным условиям, с возможностью последующего пересчета конечных результатов, при необходимости, к любым другим требуемым атмосферно-климатическим условиям, для работы в которых предназначен тот или иной серийный двигатель или партия одновременно произведенных идентичных газотурбинных двигателей с возможным внесением указанных сведений в техническую документацию двигателя.
В способе эксплуатации газотурбинного двигателя перед каждым запуском выполняют проверку готовности двигателя к работе. Производят запуск, прогрев и вывод двигателя на предусмотренные регламентом рабочие режимы. Периодически производят профилактические осмотры, текущие ремонты, а также, по меньшей мере, один капитальный ремонт. После капитального ремонта двигатель подвергают стендовым испытаниям приведенным выше способом испытания ГТД на определение ресурса и надежности работы двигателя. По результатам испытаний, при необходимости, производят послеремонтную доводку и, если необходимо, вариантно выполняют дополнительные испытания, скоррелированные с тематическим содержанием послеремонтной доводки и регламентом последующего этапа эксплуатации газотурбинного двигателя.
После капитального ремонта и/или послеремонтной доводки газотурбинный двигатель подвергают испытанию на помпаж и определение границ газодинамической устойчивости работы.
Пример реализации способа испытания газотурбинного двигателя (ГТД).
Испытанию подвергают ГТД с проектным ресурсом 500 часов общей наработки до первого капитального ремонта. В указанном ресурсе задана наработка 20 час на максимальном режиме, из них 5 час на полном форсированном режиме. Формируют типовые полетные циклы (ТПЦ) и устанавливают заданное время работы двигателя 1 ч, эквивалентное полетному времени летательного аппарата (ЛА) по принятому ТПЦ. На основании ТПЦ расчетным путем определяют повреждаемость наиболее нагруженных деталей. Исходя из этого определяют необходимое эквивалентное по повреждаемости количество циклов при испытаниях. В данном варианте принимают следующий состав нагрузочных испытательных циклов - выполнение 700 (400+300) запусков с выходом соответственно на максимальный и форсированные режимы, а также 400 приемистостей от режима «малый газ» (МГ) до максимального (Макс.) и 300 с режима 0,8 Макс. до форсированного (Фор) режима.
Устанавливают коэффициент запаса на требуемое количество испытательных нагрузочных циклов и времени наработки К=1,2.
Формируют полный объем ресурсных испытаний и разрабатывают программу проведения испытаний:
1. Общую наработку при проведении ресурсных испытаний принимают 500*1,2=600 ч, из них наработку на максимальном режиме принимают (20-5)*1,2=18 ч, а на форсированном режиме 5*1,2=6 ч.
2. Принимают продолжительность этапа испытаний 5 ч, и определяют количество пятичасовых этапов 600:5=120.
3. Устанавливают количество запусков с учетом коэффициента запаса 700*1,2=840, а также от МГ до Макс 400*1,2=480 и от 0,8 Макс до Фор 300*1,2=360.
4. Каждый пятичасовой этап включает 840:120=7, приемистостей от режима МГ до Макс 480:120=4 и приемистостей с режима 0,8 Макс до Фор 360:120=3, а также наработку на максимальном и форсированном режимах 18*60:120=9 мин. 360:120=3 мин.
5. Устанавливают последовательность испытательных циклов - быстрый выход на максимальный или полный форсированный режим, быстрый сброс на режим МГ и останов. Затем предусматривают цикл длительной работы с многократным чередованием нагрузочных циклов с размахом диапазонов изменения режимов от МГ до Макс и 0,8 Макс до Фор в пределах установленного выше объема испытательных этапов.
Выполняют испытания ГТД по указанной программе. Затем проводят дефектацию двигателя и анализ результатов испытаний, по которым принимают решение о признании двигателя выдержавшим испытания.
Изложенную выше последовательность испытания газотурбинных двигателей применяют на всех этапах от доводки опытных образцов до промышленного производства, эксплуатации и капитального ремонта двигателей.