ИСПЫТАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ КОМПРЕССОРА АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
TEST DEVICE FOR AIRCRAFT ENGINE COMPRESSOR

Изобретение относится к испытательному устройству для испытания компрессора авиационного двигателя, которое используют для определения акустических и аэродинамических параметров и технических характеристик, при этом устройство включает прикрепленный с торцевой стороны к стене испытательного стенда внешний корпус, предназначенный для размещения компрессора, и соединенный с компрессором приводной вал, а также измерительные средства.
Основной целью при разработке и производстве авиационных двигателей является снижение излучения шума. Компрессор двигателя, который создает основную часть тяги двигателя, одновременно является одним из основных источников шума двигателя, поэтому исследования, направленные на снижение излучения шума, сконцентрированы на компрессоре, его рабочих параметрах и акустических воздействиях. Шум, образуемый компрессором, излучается с одной стороны, через отверстие для подвода воздуха, расположенное на корпусе компрессора, а с другой стороны, через отверстие обводного канала для вывода воздуха, при этом важной причиной излучения шума, образуемого ниже по потоку компрессора, является взаимодействие с внутренними элементами, в частности с направляющими лопатками, расположенными в проточном канале ниже по потоку компрессора.
Исследования для регистрации излучения шума от компрессора обычно проводят с помощью испытательного устройства, содержащего внешний корпус, который жестко установлен на стене испытательного стенда и адаптирован к соответствующему компрессору. Приводной вал компрессора, соединенный с приводом, опирается во внешнем корпусе на несколько подшипников. Однако конструкция испытательного устройства такого типа имеет недостаток, поскольку акустические исследования, как правило, могут быть проведены лишь выше по потоку компрессора вследствие того, что внешний корпус выполнен в качестве несущей конструкции. Однако для исследования влияния различных конфигураций компрессора двигателя на часть проточного канала, расположенную выше по потоку компрессора, и принятия па основании этого конкретных мер по снижению излучения шума при разработке двигателей, широких мер по реконструированию, во многих случаях, например для компрессоров различных двигателей, требуются совершенно новые конструкции испытательного устройства, которые сопряжены с большими затратами времени и средств. Проточный канал внешнего корпуса, расположенный ниже по потоку компрессора и выполняющий функцию опорной конструкции, не рассчитан на фактическую среду в двигателе и поэтому не подходит для акустических исследований. С другой стороны, конструкция проточного канала, расположенного ниже по потоку компрессора, и его внутренние элементы, например направляющие лопатки, а также звукоизолирующая и аэродинамическая облицовки, предусмотренные в стандартном компрессоре реактивного двигателя, обеспечивает важные отправные точки для исследования и снижения излучения шума, которые до настоящего времени не принимались во внимание.
В основе изобретения положена цель, которая заключается в обеспечении испытательного устройства для компрессора авиационных двигателей, позволяющего, при условиях, приближенных к действительности, и с низкими конструкционными расходами, исследовать акустические и аэродинамические воздействия различных конструкций компрессоров вместе с внутренними элементами, расположенными в проточном канале, и обеспечивает возможность разработки двигателей со сниженным уровнем излучаемого шума.
Согласно изобретению цель достигнута с помощью испытательного устройства, выполненного согласно признакам п.1 формулы изобретения. Дополнительные признаки и соответствующие модификации настоящего изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Основная идея изобретения заключается в выполнении испытательного устройства из выступающей из стены испытательного стенда стационарной основной внутренней конструкции, в которой установлен приводной вал испытываемого компрессора, а также из подвижных и сменных внешних корпусных модулей, которые могут быть выравнены по отношению друг к другу с помощью присоединенных оптических устройств, из сменных внутренних элементов для направления воздуха и снижения шума, а также из присоединенных к модульному телеметрическому блоку сменных измерительных средств для определения технических характеристик и аэродинамических и акустических параметров, обусловленных компрессором и внутренними элементами. С помощью такого испытательного устройства при относительно низких конструкционных расходах можно регистрировать данные, обусловленные конструкцией компрессора и внутренними элементами, расположенными в проточном канале ниже по потоку компрессора, на основании которых можно сделать заключения по вопросу снижения уровня излучаемого шума, а также оптимальной аэродинамической конструкции компрессора, внутренних элементов и улучшения технических характеристик.
Стационарная основная конструкция, поддерживающая приводной вал исследуемого компрессора, включает прикрепленный к стене испытательного стенда несущий корпус, который состоит из трех концентрически расположенных несущих колец и содержит консольно закрепленные на двух внутренних несущих кольцах выступающие лицевую и тыльную несущие трубки, свободные концы которых соединены друг с другом с помощью несущих лопаток и расширены с помощью опорной конструкции. На указанной опорной конструкции, а также на опорных кольцах, расположенных на внутренней несущей трубке, с помощью подшипников поддерживают приводной вал компрессора.
Подвижная сменная часть испытательного устройства включает несколько герметично соединенных друг с другом с возможностью отсоединения внешних корпусных модулей, состоящих из окружающего компрессор компрессорного корпусного модуля, по меньшей мере одного измерительного корпусного модуля, снабженного измерительными элементами, а также модулей проточного канала, которые расположены между по меньшем мере одним измерительным корпусным модулем и внешним несущим кольцом несущего корпуса, жестко присоединенным к стене испытательного стенда.
Подвижными сменными измерительными элементами являются прикрепленные к поворотному барабану, расположенному в измерительных корпусных модулях, датчики, предпочтительно закрепленные на гребенке и предназначенные для регистрации излучения шума и других данных о потоке. Для распределения и проведения воздушного потока, создаваемого компрессором, к внешнему корпусному модулю, примыкающему к компрессорному корпусному модулю, прикреплены с возможностью замены направляющие лопатки для направления воздушного потока обводного канала, а также два концентрически расположенных трубчатых элемента с направляющими лопатками для образования основного проточного канала. Таким образом, направляющие лопатки не являются несущими конструкциями и прикреплены только к внешнему корпусу независимо от установки ротора.
Звукоизолирующая или аэродинамическая облицовка может быть выполнена с возможностью замены в части компрессорного корпусного модуля, расположенной ниже по потоку компрессора, а также в примыкающем обводном проточном канале, за исключением части второго измерительного корпусного модуля, оснащенного микрофонами. Предпочтительно облицовку выполняют в форме полуобечаек, состыкованных друг с другом таким образом, что обеспечено протекание воздушного потока без возмущающих воздействий. Такие облицовки также могут быть предусмотрены выше по потоку компрессора, на внутренней окружной поверхности компрессорного корпусного модуля.
Для обеспечения точного концентрического расположения и выравнивания внешних подвижных корпусных модулей, компрессорный корпусный модуль, а также расположенные между ним и несущим корпусом измерительные корпусные модули закреплены с возможностью регулировки в направлениях X, Y и Z на опорах, установленных с возможностью перемещения на полозьях, при этом точное соосное выравнивание регулируемых внешних корпусных модулей осуществляют с помощью закрепленных на компрессорном корпусном модуле высокоточных оптических труб, прикрепленных к компрессорному корпусному модулю, а также оптических линз, прикрепленных к лицевому и тыльному выступам измерительных корпусных модулей и несущему корпусу. Оптические линзы и высокоточные оптические трубы предпочтительно расположены попарно и смещены на некоторый угол по отношению друг к другу.
Для компенсации осевых и радиальных расширений, обусловленных температурой, на подвижной опоре, содержащей уплотнительные элементы, расширяющиеся в результате предварительного напряжения рессоры, установлены проточные модули, примыкающие к измерительному корпусному модулю.
Более подробно данный пример реализации настоящего изобретения можно пояснить с помощью чертежа, на котором в частичном в разрезе показано модульное испытательное устройство для испытания компрессора двигателя.
Во-первых, испытательное устройство состоит из основной конструкции, закрепленной на вертикальной стене испытательного стенда и маловажной для акустических и аэродинамических измерений, а также измерения характеристик в проточном канале, расположенном ниже по потоку компрессора, и остается практически без изменений при испытаниях компрессора в различных условиях, а также при различных конструкциях компрессоров. Стационарная основная конструкция включает несущий корпус 1, который состоит из трех концентрически расположенных несущих колец 3-5, соединенных ребрами 2, и жестко соединен с вертикальной стеной 6 испытательного стенда с помощью внешнего несущего кольца 3. Внешняя и внутренняя несущие трубки 7, 8 прикреплены соответственно к центральному и внутреннему несущим кольцам 4, 5. Внешняя и внутренняя несущие трубки 7, 8 соединены друг с другом на свободной торцевой стороне при помощи нескольких несущих лопаток 9 и опорного кольца 10, примыкающего к внутренней несущей трубке 8. К внутренней окружной поверхности внутренней несущей трубки 8, в лицевой и тыльной областях, прикреплено опорное кольцо 11. В описанной выше несущей конструкции концентрически расположен опирающийся на подшипники 12 приводной вал 13, который соединен с возможностью отсоединения с ротором 14 компрессора, при этом тыльный конец вала присоединен к приводу (не показан).
Ротор 14 вместе с прикрепленными к нему лопатками 15 и входным соплом 16 образуют компрессор 17, являющийся частью подвижной или сменной конструкции испытательного устройства, при этом испытывают акустические и аэродинамические параметры компрессора, а также проточные каналы, примыкающие к линии нагнетания компрессора, в частности обводной проточный канал 45 и внутренние элементы, входящие в его состав.
Сменная часть испытательного устройства выполнена в соответствии с испытываемым компрессором и различными условиями испытаний, требуемыми для каждого испытания, вследствие этого, благодаря несменной основной конструкции, могут быть испытаны различные конструкции компрессоров при определенных условиях с относительно низкими расходами. Эта индивидуально выполненная часть испытательного устройства содержит подвижные внешние корпусные модули, которые герметично соединены друг с другом при помощи уплотнительных элементов 27, 50 и установлены последовательно по оси в направлении потока, а также содержат корпусный модуль 18, расположенный в области компрессора 17, и первый измерительный корпусный модуль 19, расположенный в области направляющей лопатки, примыкающей к проточному каналу компрессора, последовательные первый, второй и третий конически расширяющиеся модули проточного канала 20, 21 и 22, а также второй измерительный корпусный модуль 23 и четвертый конически расширяющийся модуль проточного канала 24. Компрессорный корпусный модуль 18, а также первый и второй измерительные корпусные модули 19, 23 установлены с возможностью регулировки в направлениях X, Y и Z на опорах 25, установленных с возможностью перемещения в осевом направлении на направляющих полозьях 26, присоединенных к несущему корпусу 1 с образованием с ним единого целого. Первый, второй и третий модули 20-22 проточного канала привинчены друг к другу и первому измерительному корпусному модулю 19. Четвертый модуль 24 проточного канала привинчен к несущему корпусу 1, жестко установленному на стене 6 испытательного стенда и образующему внешнюю стационарную корпусную секцию, и герметизирован от несущего корпуса с помощью уплотнительного элемента 27 (уплотнительного кольца). Для компенсации удлинений, требуемой вследствие температурных колебаний, третий и четвертый модули проточного канала 22 и 24 установлены с возможностью перемещения на втором измерительном корпусном модуле 23 с помощью подвижной опоры и специального уплотняющего элемента 50. Уплотняющий элемент 50 представляет собой уплотнительное кольцо с С-образным поперечным сечением 50а вместе с расположенной в нем спиральной пружиной 50b, расширяющейся вследствие ее предварительного напряжения, вследствие этого уплотняющее кольцо 50а может соответственно реагировать на радиальное расширение внешенего корпуса, вызываемое температурой.
Первый и второй измерительные корпусные модули 19, 23 соответственно содержат лицевые и тыльные выступы 28-31, на внешнем верхнем крае которых размещена 5 пара оптических линз 32 с визирными нитями, смещенных по отношению друг к другу на угол 120°. Две другие оптические линзы 32 прикреплены в том же положении к стационарному опорному корпусу 1 напротив высокоточных оптических труб 33, прикрепленных к выступам 51 компрессорного корпусного модуля 18. (Структура высокоточных оптических труб и оптических линз, смещенных по отношению друг к другу на угол 120°, не показана на чертеже.) С помощью высокоточных оптических труб 33 и оптических линз 32, расположенных на несущем корпусе 1, сначала выравнивают относительно центральной оси 34 и приводного вала 13 компрессорный корпусный модуль 18, расположенный на опорах с возможностью регулировки в направлениях X, Y и Z. Затем по оптической оси 35 соосно выравнивают другие внешние корпусные модули, выполненные с возможностью регулировки и установленные на опорах 25, с прикрепленными к ним оптическими линзами 32, благодаря чему сменная часть испытательного устройства выравнивается по отношению к стационарной основной конструкции с высокой точностью.
Первый и второй измерительные корпусные модули 19, 23 соответственно содержат поворотный барабан 36, 37, к которому прикреплена сменная гребенка 38, 39, содержащая микрофоны для измерения уровня производимого шума. К поворотному барабану 37 измерительного корпусного модуля 23 прикреплены дополнительные микрофоны 40.
На первом измерительном корпусном модуле 19 закреплены направляющие лопатки для направления потока обводного канала 41, которые соединены с внешним и внутренним трубчатыми элементами 43, 44 через первую и вторую направляющие лопатки для направления потока основного канала 42, вследствие этого проточный канал, расположенный ниже по направлению потока компрессора 17, разделен на обводной проточный канал 45, ограниченный внешним корпусом, а также внешним трубчатым элементом 43 и внешней поддерживающей трубкой 7, и основной проточный канал 46, образованный внешним и внутренним трубчатыми элементами 43, 44 и поддерживающими трубками 7, 8. Внешний и внутренний трубчатые элементы 43, 44, несмотря на осевой и радиальный зазоры, герметично закреплены при помощи уплотнительных колец 47 с возможностью отсоединения на несущей конструкции 10, соединенной с несущими лопатками 9, и вместе с направляющими лопатками для направления потока обводного и основного каналов 41, 42 образуют сменный подвижный элемент испытательного устройства, выполненный для частного случая применения. Это означает, что направляющие лопатки для направления потока обводного и основного каналов 41, 42, независимо от стационарной основной конструкции и приводного вала 13, закреплены лишь на внешнем корпусе и могут быть заменены и выполнены произвольным образом.
Кроме того, подвижный элемент, выполненный с возможностью замены для различных случаев применения, представляет собой звукоизолирующую облицовку 48, расположенную в обводном проточном канале 45. Кроме того, вместо или вместе с звукоизолирующей облицовкой для аэродинамических исследований может быть предусмотрена аэродинамическая облицовка. Благодаря модульной конструкции внешнего корпуса эти элементы могут быть заменены при сравнительно низких затратах. Звукоизолирующая облицовка 48 состоит из облицовочных компонентов в форме полуобечайки, расположенных друг за другом в окружном направлении и в направлении потока и соединенных друг с другом при помощи совмещения контактного штыря и разъема (не показаны). Таким образом, можно быстро и просто заменить звукоизолирующую облицовку 48, а нарушения изоляции, возникающие на поверхности звукоизолирующей облицовки, связаны с переферийными соединительными швами, проходящими между облицовочными компонентами в осевом направлении. В данном примере реализации настоящего изобретения облицовочные компоненты наклеены на внешнюю окружную поверхность обводного проточного канала 45 и закреплены на его внутренней окружной поверхности посредством держателей 49. Кроме того, звукоизолирующая облицовка, выполненная из сменных облицовочных компонентов, расположена на внутренней периферийной поверхности компрессорного корпусного модуля 18, вверх и вниз по потоку компрессора 17.
Значения, измеряемые в обводном проточном канале 45, передают при помощи телеметрического устройства (не показано), выполненного в виде модульной (съемной) системы.
При помощи вышеописанного испытательного устройства, выполненного модульным способом из стационарной основной конструкции для поддержания приводного вала 13, приводящего компрессор 17 в движение, а также из внешних подвижных корпусных модулей, содержащих сменные внутренние элементы, при относительно низких конструкционных расходах или изменениях возможны исследования характеристик и уровня производимого шума в зависимости от компрессора и конструктивного исполнения проточного канала, расположенного ниже по потоку компрессора. Замена внутренних элементов и повторная установка внешних корпусных модулей, которые могут быть установлены на опорах с возможностью регулировки в направлениях X, Y и Z и точно ориентированы по отношению друг к другу с помощью оптической системы, по сравнению с созданием новой конструкции сопряжены с относительно низкими временными затратами.
Кроме того, замена внешних корпусных модулей на новые сопряжена со значительно меньшими затратами, чем полное реконструирование испытательного устройства.
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ
1
несущий корпус
2
ребра элемента, обозначенного позицией 1
3
несущее кольцо элемента, обозначенного позицией 1
4
несущее кольцо элемента, обозначенного позицией 1
5
несущее кольцо элемента, обозначенного позицией 1
6
стена испытательного стенда
7
внешняя несущая труба
8
внутренняя несущая труба
9
несущие лопатки
10
опорная конструкция
11
опорное кольцо
12
подшипник
13
приводной вал
14
ротор компрессора
15
лопатки компрессора
16
входное сопло
17
компрессор
18
компрессорный корпусный модуль
19
первый измерительный корпусный модуль
20
первый модуль проточного канала
21
второй модуль проточного канала
22
третий модуль проточного канала
23
второй измерительный корпусный модуль
24
четвертый модуль проточного канала
25
опоры
26
направляющие полозья
27
уплотняющий элемент
28
лицевой выступ элемента, обозначенного позицией 19
29
тыльный выступ элемента, обозначенного позицией 19
30
лицевой выступ элемента, обозначенного позицией 23
31
тыльный выступ элемента, обозначенного позицией 23
32
оптические линзы
33
высокоточная оптическая труба
34
центральная ось
35
оптическая ось
36
поворотный барабан
37
поворотный барабан
38
гребенка
39
гребенка
40
микрофоны
41
направляющие лопатки для направления потока обводного канала
42
направляющие лопатки для направления потока основного канала
43
внешний трубчатый элемент
44
внутренний трубчатый элемент
45
обводной проточный канал
46
основной проточный канал
47
уплотняющее кольцо
48
звукоизолирующая облицовка
49
держатели
50
специальный уплотняющий элемент
50а
С-образное уплотняющее кольцо
50b
спиральная пружина
51
выступы элемента, обозначенного позицией 18