СТЕНД ДЛЯ ВЫСОТНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ТУРБОВИНТОВЫХ И ТУРБОВАЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
BENCH FOR ALTITUDE-CLIMATIC TESTS OF TURBOPROP AND TURBOSHAFT ENGINES

ИИзобретение относится к области испытания турбовинтовых и турбовальных двигателей на стенде в условиях, близких к полетным.
Известны наземные стенды для испытаний турбовальных и турбовинтовых двигателей, содержащих динамометрическую платформу с установленными на ней двигателем и гидротормозом, а также измерительную аппаратуру, которая фиксирует крутящий момент и число оборотов испытываемого двигателя. Однако данный стенд предназначен для испытания в наземных условиях и не позволяет обеспечить работу двигателя на стационарных и переходных режимах во всех диапазонах имитирующих условий, а именно в высотно-климатических условиях /сайт фирмы Khn Industries INC, www Kahn.com., Канада/.
Известен стенд для испытаний реактивных двигателей, содержащий термобарокамеру, выполненную в виде большого цилиндрического сосуда со сферическим днищем, установленным на железобетонном фундаменте. Основание подвешено на упругих лентах, при этом гидродатчики, выполняющие функцию гидравлической системы, измеряемое усилие трансформируют в потенциальную энергию давления жидкости и установлены вне термобарокамеры. Тяга, развиваемая двигателем, передается через основание и далее на гидродатчик. Так как капельные жидкости крайне сжимаемы, то давление в гидродатчике мгновенно повышается и уравновешивает измеряемую силу. Каждая цепь механизмов вносит определенные погрешности измерений. При этом данный стенд не может обеспечить одновременное измерение тяговой силы и крутящего момента /А.С.Акобджанян. «Гидравлические системы измерений усилий», г.Москва, 1972 г., с.46-52).
Наиболее близким является стенд для испытаний турбовальных и турбовинтовых двигателей (прототип), содержащий термобарокамеру, основание, на котором расположен испытываемый двигатель, измеритель крутящего момента в виде гидравлического балансирного тормоза (гидротормоз), работающего в нормальных атмосферных условиях, ротор которого соединен с валом испытываемого двигателя через удлиненный вал с промежуточными опорами, который выведен через стенку барокамеры, и измерительную систему. При вращении ротора трение между лопастями балансирного тормоза и периферийным слоем жидкости создает тормозящий момент, равный и противоположный крутящему моменту, при этом реактивный момент стремится повернуть статор в обратную сторону /А.С.Акобджанян. «Гидравлические системы измерений усилий», г.Москва, 1972 г., с.8, 9). Однако при этом возникает ряд специфических задач, в частности, необходима надежная герметизация ввода вала с целью недопущения ухудшения теплового состояния двигателя внутри термобарокамеры в процессе термостатирования, компенсация теплового расширения вала с учетом условий эксплуатации, учет частоты собственных колебаний и резонансных частот вала при его вращении, а также требования к балансировке валов и изготовлению фундамента под гидротормоз. Каждая цепь механизмов вносит определенные погрешности, которые суммарно приводят к значительным погрешностям измерений.
При испытаниях турбовинтовых и турбовальных двигателей необходимо обеспечивать их работу на стационарных и переходных режимах во всем диапазоне имитируемых условий при крайне низких (-60°С) и крайне высоких (+80°С) температурах, что представляет достаточно жесткие условия к размещаемому внутри барокамеры гидротормозу и его системам.
Целью изобретения является повышение точности измерения крутящего момента и числа оборотов двигателя на стационарных и переходных режимах в различных имитируемых условиях.
Поставленная цель достигается тем, что стенд для высотно-климатических испытаний турбовинтовых и турбовальных двигателей, содержащий термобарокамеру, основание, на котором расположен испытываемый двигатель, гидротормоз, ротор которого соединен с валом двигателя, и измерительную систему, дополнительно содержит тележку с выжимными винтами и силовым каркасом, на которой установлен гидротормоз и которая расположена в термобарокамере на неподвижной платформе с двигателем, а силовой каркас тележки неподвижно соединен по фланцу с секциями термогермокожуха, которые снабжены ребрами жесткости и покрыты снаружи и изнутри термозащитным материалом, причем нижняя секция снабжена опорными втулками с проставками, на которых установлен корпус гидротормоза, при этом на выходной вал гидротормоза установлено графитовое уплотнение, а внутри термогермокожуха установлены датчики температуры и давления, а также трубопровод подачи вовнутрь его воздуха через зазор между основанием гидротормоза и стенкой корпуса термогермокожуха с последующим отводом через штуцер в верхней секции термогермокожуха, переходными трубопроводами подвода, отвода и дренажа воды к гидротормозу, датчики крутящего момента и числа оборотов, при этом гидротормоз соединен с контроллером, установленным вне термобарокамеры и соединенным через входной и выходной силовые модули с гидротормозом.
Кроме того, фланец нижней секции гидротормоза уплотнен резиновым уплотнением в соединении с тележкой, выходной вал гидротормоза снабжен переходной полумуфтой, позволяющей заменять рессору под различный тип испытываемого двигателя, гидротормоз дополнительно снабжен управляемыми автоматикой электрическими кранами подачи и слива воды, стенд дополнительно снабжен модулем контроля параметров двигателя, а переходная полумуфта, верхняя секция и переходник термогермокожуха выполнены с возможностью их демонтажа для обеспечения испытаний двигателей с левым и правым вращением вала.
На фиг.1 приведена принципиальная схема заявленного стенда; на фиг.2 представлен боковой разрез термогермокожуха с установленным в нем гидротормозом; на фиг.3 - тот же узел со снятой верхней крышкой и трубопроводами подвода, отвода и дренажа воды.
кр
1
В термобарокамере 1 на неподвижной платформе 2 установлена подмоторная рама 3, на которой неподвижно установлен испытываемый двигатель 4. На платформе 2 также установлен гидротормоз 5, который размещен в термогермокожухе 6. Вал гидротормоза и вал свободной турбины двигателя соединены через рессору 8 и зубчатую муфту 9. Управляющий контроллер 10, находящийся вне термобарокамеры, подключен к размещенным на гидротормозе датчику крутящего момента М, дросселям подачи и слива воды (через силовые модули 7 и 18 управления дросселями), датчику n частоты вращения свободной турбины испытываемого двигателя.
2
Кроме того, к контроллеру подключен датчик частоты вращения газогенератора двигателя n.
кр
кр
2
1
1
При проведении испытаний оборотная вода подводится через дроссель подачи воды 19 в рабочие камеры гидротормоза, образованные пакетами ротора и статора, и затем сливается в оборотную систему водоснабжения через дроссель слива 20. При этом обеспечивается непрерывная циркуляция воды через гидротормоз с расходом, определяемым положением дросселей подачи и слива воды. После запуска двигателя механическая энергия, получаемая от вала свободной турбины двигателя, трансформируется в тепловую энергию и выводится водой, протекающей через гидротормоз. Крутящий момент М, являющийся результатом этого процесса, воздействует на ротор и статор гидротормоза, смонтированные на балансирной подвеске. Непрерывно измеряемые величины М, n, и n передаются в контроллер, который управляет положением дросселей подвода и слива воды (загрузкой-разгрузкой гидротормоза), уменьшая (увеличивая) тем самым потребную загрузку гидротормоза, а значит потребную величину n в соответствии с программой управления гидротормозом.
Таким образом, стенд обеспечивает в автоматическом режиме поддержание заданной частоты вращения валов двигателя на статических режимах и загрузку (разгрузку) гидротормоза на переходных режимах работы двигателя (приемистость, сброс газа, встречная приемистость).
Основными преимуществами данной компоновки стенда являются применение короткой рессоры и термогермокожуха для гидротормоза.
Применение короткой рессоры существенно упрощает решение дополнительных технологических задач по обеспечению потребного теплового состояния двигателя внутри термобарокамеры в процессе термостатирования, компенсации теплового расширения рессоры с учетом условий эксплуатации, учету частоты собственных колебаний и резонансных частот вращения, регулировке величин несоосности и биений валов свободной турбины двигателя и гидротормоза, балансировке валов, изготовлению фундамента под гидротормоз и пр.
Термогермокожух обеспечивает работу гидротормоза в нормальных атмосферных условиях (по давлению, температуре, влажности внутри термогермокожуха). При этом внутри термобарокамеры имитируются потребные климатические условия в диапазоне крайне низких (-60°С) и крайне высоких (+80°С) температур, а также имитируются потребные высотные условия в диапазоне высот от Н=0 до Н=12 км.
Термогермокожух 6 (Фиг.2, 3) выполнен разборным и состоит из нижней 11, средней 12 и верхней 13 секций. Соединение секций - фланцевое, герметизированное уплотнением в виде асбестового шнура. Все секции покрыты снаружи и изнутри термозащитным материалом. Нижняя секция термогермокожуха выполнена в виде тележки с выжимными винтами 17, которые позволяют регулировать положение тележки по высоте в пределах 10 мм. Эта секция снабжена опорными втулками 25 (4 шт.), на которых устанавливается гидротормоз. К нижней секции приварены переходные трубопроводы подвода 14, отвода 15 и дренажа 16 воды.
Для герметизации вала гидротормоза установлен графитовый уплотнитель 18, который размещен в опорной втулке 19. При соединении вала гидротормоза с рессорой использована переходная полумуфта 9, которая позволяет заменять рессору под различные двигатели.
Для контроля давления и температуры воздуха внутри термогермокожуха размещены датчики давления 21 и температуры 20. На верхней секции установлен штуцер 23 для подвода атмосферного воздуха внутрь термогермокожуха и штуцер 22 отвода воздуха в объем термобарокамеры. Во время работы стенда в имитируемых условиях за счет разницы давлений реализуется непрерывная циркуляция воздуха через термогермокожух, обеспечивающая нормальные атмосферные условия внутри его объема. При этом воздух из атмосферы через штуцер 23, далее через коллектор 24, присоединенный к штуцеру 23 трубопроводом 26, подводится в зазор между основанием гидротормоза и стенкой нижней секции термогермокожуха, а далее сбрасывается через штуцер 22 в объем термобарокамеры.
Конструкция термогермокожуха обеспечивает возможность испытания турбовинтовых и турбовальных двигателей «правого» и «левого» вращения вала свободной турбины. Для этого гидротормоз разворачивается внутри термогермокожуха на 180° на опорных втулках 25 с перестановкой полумуфты и вала на противоположный шпиндель гидротормоза. Поверка гидротормоза калибровочными грузами производится после установки и закрепления гидротормоза внутри термогермокожуха на динамометрической платформе в термобарокамере.