Способ имитации обледенения на объекте исследования
METHOD FOR SIMULATING ICING AT THE RESEARCH OBJECT

Изобретение относится к области исследования, к испытаниям, доводке и эксплуатации всех типов газотурбинных двигателей (ГТД) авиационного и наземного назначения, к способам создания климатических условий для испытаний работоспособности элементов ГТД и вспомогательного оборудования в условиях обледенения, к проведению инженерных и сертификационных испытаний ГТД, к верификации расчетных моделей узлов газотурбинных двигателей авиационного и наземного назначения.
Данный способ может применяться при проведении испытаний газотурбинных двигателей для имитации климатических условий образования льда на элементах ГТД с целью определения аэродинамических и летных характеристик исследуемых элементов, для оценки работоспособности отдельных узлов в случае критического обледенения, а также для испытаний и отработки режимов работы противообледенительных систем (ПОС).
Известно устройство для регулирования водности в имитируемом атмосферном облаке (Патент RU 185978, МПК G01M 9/04, опубл. 25.12.2018). Устройство включает в себя блок подачи воды, блок управления, блок модуляторов расхода воды и блок форсунок, причем выход блока подачи воды гидравлически связан со входом блока модуляторов расхода воды, группа гидравлических выходов блока модуляторов подключена к группе гидравлических входов блока форсунок, а группа входов управления блока модуляторов связана с группой управляющих выходов блока управления, блок управления содержит генератор импульсов, выполненный, с возможностью регулирования частоты и скважности импульсов, причем группа выходов генератора импульсов является группой управляющих выходов блока управления.
Генератор импульсов, выполненный с возможностью регулирования частоты и скважности импульсов и исполнение группы выходов генератора импульсов в виде группы управляющих выходов блока управления позволяют расширить диапазон водностей при обеспечении нормируемой дисперсности распыла воды.
Известно устройство для регулирования водности в имитируемом атмосферном облаке (Патент RU 154759, МПК G01M 9/04, опубл. 10.09.2015), включающее блок подачи воды, блок управления, блок модуляторов расхода воды и блок форсунок, причем выход блока подачи воды гидравлически связан со входом блока модуляторов расхода воды, группа гидравлических выходов блока модуляторов подключена к группе гидравлических входов блока форсунок, а группа входов управления блока модуляторов связана с группой управляющих выходов блока управления.
В известном устройстве изменения водности достигают посредством регулирования степени расхода воды в блоке модуляторов расхода воды и настройки электропривода насоса на определенную частоту с помощью блока управления.
Недостатками известных устройств являются отсутствие возможности контроля параметров процесса обледенения. Отсутствие возможности количественной оценки результатов создания льда, например, геометрических параметров ледяного слоя - толщины и формы, как следствие - снижение точности и повторяемости результатов исследования. Вследствие конструктивных особенностей известных устройств, проектирование и монтаж системы осуществляется для конкретного исследуемого элемента и фиксированного положения форсунок без возможности быстрой перенастройки на другой объект исследования.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату и выбранному за прототип является установка для испытания элементов летательных аппаратов в имитируемых условиях обледенения (Патент RU 32751, МПК B64D 15/20, опубл. 27.09.2003), включающая аэродинамическую трубу с установленными в ней форсунками, системы подачи воздуха и воды, объект исследования, в аэродинамической трубе установлен генератор воздушных вихрей, а установка снабжена по крайней мере одним индикатором льдообразования, расположенным между форсунками и объектом испытания.
Принцип работы установки заключается в следующем: к форсункам, расположенным в аэродинамической трубе от питающей системы подают воду для ее распыливания в воздушном потоке, получая мелкодисперсную водяную аэрозоль. Причем, как правило, каждая форсунка образует факел с одинаковым заданным размером водяных капель. При экспериментальных исследованиях льдообразования на объекте испытания имитируют условия нахождения в облаке, где объемная концентрация воды составляет сотые доли процента. Для устранения неравномерности мелкодисперсной водяной аэрозоли в аэродинамической трубе установлен генератор воздушных вихрей, который турбулизирует воздушный поток, поступающий в аэродинамическую трубу через систему подачи воздуха. Это способствует перемешиванию водяных факелов и выравниванию концентрации мелкодисперсной водяной аэрозоли по сечению. Далее мелкодисперсную водяную аэрозоль направляют на объект испытания, где водные капли оседают и замерзают, образуя равномерную ледяную пленку.
Недостатком прототипа является необходимость в проведении испытаний в аэродинамической трубе и отсутствие возможности быстрой переналадки оборудования на другой типоразмер объекта исследования вследствие конструктивного исполнения установки. Кроме того, к недостаткам прототипа следует отнести большие временные затраты на монтаж/демонтаж системы и транспортировку к месту размещения объекта исследования. Данные недостатки существенно сужают область применения установки, требуют дополнительных трудовых и капитальных затрат на транспортировку и размещение объекта исследования в аэродинамической трубе. Также стоит учитывать габариты исследуемых объектов (например, воздухозаборное устройство ГТД может достигать в диаметре до 3-4 метров), что, в свою очередь, предъявляет свои требования к габаритам установки для создания льда. Кроме того, для проведения исследований различных узлов и элементов ГТД требуется вносить изменения в конструкцию установки для обеспечения точного водяного распыления на объект исследования.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения, и невозможно обеспечить при использовании прототипа является длительное время подготовки, наладки устройства для обводнения и последующего обледенения, системы в целом для проведения исследования и отсутствие конструктивной возможности быстрой адаптации системы для создания условий образования льда на объекте с отличными конструкцией и типоразмером.
Технической задачей заявляемого изобретения является повышение точности проведения испытаний и достоверности полученных данных, снижение времени на подготовку и проведение испытаний, без применений специализированных стендов, расширение области применения и обеспечение контролируемого процесса создания льда на поверхности элементов ГТД путем применения измерительных устройств.
Техническая проблема решается за счет того, что в способе имитации обледенения на объекте исследования заключающемся в том, что устанавливают объект исследования, выполняют настройку параметров давления воды и воздуха, поступающих на устройство распыления, с помощью устройства распыления, гидравлически связанного с блоком подачи воды и компрессором, распыляют мелкодисперсную водяную аэрозоль на объект исследования, согласно изобретению, в качестве устройства распыления используют не менее одной форсунки, расположенной на штанге промышленного робота (ПР), траекторию движения форсунки и толщину создаваемого ледяного слоя задают на основе управляющей программы (УП), с возможностью их изменения, форсунку непрерывно перемещают вдоль поверхности объекта исследования, на которой создается ледяной слой, дополнительно применяют систему контроля толщины создаваемого ледяного слоя, установленную в блоке анализа и конструктивно связанную со сканирующим датчиком расположенным на штанге промышленного робота, сканирующим датчиком осуществляют предварительное сканирование поверхности объекта исследования без ледяного слоя, после заданного количества циклов распыления выполняют замер ледяного слоя, сравнивают толщину созданного ледяного слоя с заданным, если толщина равна или не существенно отличается от заданной, то принимают, что требуемая толщина ледяного слоя обеспечена и новые циклы распыления не требуются, в случае, если полученная толщина ледяного слоя меньше заданной - циклы распыления продолжают пока не будут достигнуты целевые значения, если толщина ледяного слоя превысила заданную толщину - циклы распыления останавливают и удаляют весь ледяной слой, после чего циклы распыления начинают с начала.
Кроме того, согласно изобретению, ледяной слой на объекте исследования удаляют механическим или термическим способом.
В предлагаемом изобретении, в отличии от прототипа, в качестве устройства распыления используют не менее одной форсунки, расположенной на штанге промышленного робота, которая обеспечивает доставку форсунки к позициям, для распыления водной аэрозоли на профиль объекта исследования, и служит для размещения на ней форсуночного модуля, сканирующего датчика, а также линий подвода воды и воздуха в ее внутренней части.
Траекторию движения форсунки и толщину создаваемого ледяного слоя задают на основе УП, с возможностью их изменения, что позволяет настраивать систему на геометрию объекта исследования и обеспечивает возможность адаптировать систему для проведения исследований обледенения на других объектах в короткие сроки.
Форсунку или блок форсунок непрерывно перемещают вдоль поверхности объекта исследования, на которой создается ледяной слой, что обеспечивает равномерность нанесения водной аэрозоли и, как следствие, постоянство толщины создаваемого ледяного слоя по всему профилю объекта.
Количество форсунок зависит от геометрии объекта, целевых параметров создаваемого на поверхности объекта исследования ледяного слоя и технологических режимов процесса создания льда.
Дополнительно применяют систему контроля толщины создаваемого ледяного слоя, установленную в блоке анализа и конструктивно связанную с со сканирующим датчиком, расположенным на штанге промышленного робота, для осуществления контроля за геометрией и размерами создаваемого ледяного слоя, повышая точность исследования и достоверность результатов.
Сканирующим датчиком осуществляют предварительное сканирование поверхности объекта исследования без ледяного слоя для определения базовой поверхности (нулевого слоя), от которой будет производиться отсчет толщины созданного ледяного слоя путем сравнения данных, полученных от сканирующего датчика при предварительном и последующем сканировании.
После заданного количества циклов распыления производится замер и выполняют сравнение профиля созданного ледяного слоя с профилем нулевого слоя, что позволяет определить толщину созданного слоя. Контроль толщины и формы создаваемого ледяного слоя может осуществляться применением как 2-D, так и 3-D сканирующих датчиков.
На фиг. 1 представлена схема реализации способа создания льда на элементах ГТД;
где 1 - форсунка; 2 - штанга промышленного робота; 3 - промышленный робот; 4 - магистрали подвода и отвода воды и воздуха; 5 - запорное устройство (кран); 6 - кран шаровой; 7 - компрессор; 8 - насос; 9 -панель управления; 10 - обратная магистраль; 11 - бак с дистиллированной водой, оснащенный подогревом; 12 - линия сброса; 13 - предохранительный клапан; 14 - объект исследования; 15 - блок анализа.
На фиг. 2 представлен общий вид штанги ПР с датчиком;
где 16 - сканирующий датчик; 1 - форсунка; 17 - магистраль для подвода сжатого воздуха; 18 - подвод и отвод воды; 2 - штанга промышленного робота; 19 - соединительный фланец.
Способ имитации обледенения на элементах ГТД производится на испытательном стенде ГТД без применения аэродинамической трубы, в открытых атмосферных условиях при отрицательной температуре окружающего воздуха. Создание льда на элементе ГТД осуществляется с помощью мобильной форсунки, перемещаемой вдоль поверхности элемента по траектории в соответствии с заранее разработанной УП ПР. Таким образом, обеспечивается возможность создавать ледяной слой на элементах ГТД с различными габаритными размерами и различной конструкцией без изменения конструкции распыляющего элемента.
Способ реализуется следующим образом
На предварительном этапе разрабатывают УП для ПР 3 в соответствии с конструкцией и техническими особенностями объекта 14, на котором будет производиться создание льда. Управляющая программа представляет собой набор координат (позиций) и последовательно исполняемых команд для перемещения ПР 3. Управляющая программа может создаваться как в программной среде автоматизированной разработки по электронной модели объекта, так и непосредственно с пульта панели управления 9 ПР 3 на натурном объекте исследования 14. Позиции управляющей программы могут быть изменены с пульта панели управления 9 ПР 3 для корректировки траектории движения форсунки 1.
Перед началом испытаний наполняют подогреваемый бак 11 водой и выполняют продувку всех магистралей подачи воды 4 и форсунки 1, производят их подключение к форсунке 1, установленной на штанге 2 ПР с помощью соединительного фланца 19, и выполняют запуск циркуляции воды в прямом направлении из бака 11 к форсунке 1 по магистралям подачи воды 4, в обратном направлении через линию обратной магистрали 10. Подачу и отсечение подачи воды в форсунку 1 регулируют запорным управляемым устройством 5 посредствам панели управления 9 и краном шаровым 6. Далее, приводят в работу компрессор 7, сжатый воздух от которого подается на форсунку 1 по магистрали для подвода сжатого воздуха 17 для создания распыла. Давление, приходящее на форсунку 1, так же устанавливают и регулируют с панели управления 9. Для предотвращения превышения давления в линиях подачи воды выше рабочего и защиты насоса 8 применяют предохранительный клапан 13 и линию сброса 12.
Во время реализации способа создания льда на поверхности элементов ГТД форсунка 1, установленная на штанге ПР 2 совершает движение вдоль элемента 14 в соответствии с управляющей программой ПР 3 на заданном расстоянии от элемента 14. Траектория движения форсунки 1 является цикличной и повторяется до тех пор, пока не будет образован слой льда требуемой толщины.
После нескольких циклов распыления воды на элемент ГТД 14 для проведения оценки и контроля размеров образованного слоя льда применяют систему контроля толщины создаваемого ледяного слоя, которая состоит из блока анализа 15 и сканирующего датчика 16. Блок анализа 15 расположен в отдельной электронно-вычислительной машине (ЭВМ) на базе персонального компьютера или ноутбука с возможностью подключения к сканирующему датчику 16 по IP-адресу. Обработка данных, полученных от сканирующего датчика 16, осуществляется в программном обеспечении для анализа 3D измерений, установленном на ПЭВМ. Сканирующий датчик 16 располагается на штанге ПР 2 и имеет отдельное место крепления на ее профильной части и размещается с учетом удобства выполнения измерений толщины льда. В соответствии с системой контроля толщины создаваемого ледяного слоя, производят измерение сканирующим датчиком 16 толщины в целевых точках. По результатам измерения на основании целевых показателей толщины определяется необходимость продолжения процесса создания льда и количество циклов распыления воды для получения требуемой толщины.
Сравнивают толщину созданного ледяного слоя с заданным, если толщина равна или не существенно отличается от заданной, то принимают, что требуемая толщина ледяного слоя обеспечена и новые циклы распыления не требуются, в случае, если полученная толщина ледяного слоя меньше заданной - циклы распыления продолжают пока не будут достигнуты целевые значения, если толщина ледяного слоя превысила заданную толщину - циклы распыления останавливают и удаляют весь ледяной слой термическим или механическим способом, термический способ заключается в использовании генератора тепловой энергии (теплопушка) для обогрева поверхности объекта исследования и удаления ледяного слоя путем его нагревания; механический способ заключается в удалении ледяного слоя применением механических инструментов с мягким бойком для исключения повреждения объекта исследования при удалении льда, после чего повторяют циклы распыления.
Таким образом, выполнение предлагаемого изобретения с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками, обеспечивает возможность проводить исследования в автоматическом режиме без использования специализированных стендов, позволяет повысить точность проведения испытаний и достоверность полученных данных, снизить время на подготовку и проведение испытаний, расширить область применения и обеспечить контроль параметров в процессе создания льда на поверхности элементов ГТД путем применения измерительных устройств.