Способ испытаний авиационного газотурбинного двигателя
AIRCRAFT GAS TURBINE ENGINE TEST METHOD

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, к авиационным двигателям типа газотурбинных, а именно, к способам испытаний при их создании, экспериментальной доводке характеристик опытного и промышленного экземпляров и эксплуатации.
Работы при создании авиационных двигателей и их комплектующих систем, их проектировании, испытании и доводке на этапах опытно-конструкторских работ, в процессе серийного производства, ремонте, сертификации и сервисном обслуживании характеризуются повторяемостью работ, недостаточной информативностью проводимых испытаний, отсутствием сведений по оптимизации характеристик продукта, и недостаточным уровнем использования электронной поддержки. Все это значительно удлиняет цикл проектирования, затрудняет проведение плановых испытаний при эксплуатации и ремонте, увеличивает соответствующие затраты. Уменьшить продолжительность испытаний на этапах доводки параметров конструкции и получения требуемых характеристик двигателя возможно только путем создания виртуальной среды позволяющей с помощью математических моделей, с учетом ранее полученных результатов, прогнозировать и оптимизировать характеристики двигателя и его узлов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату, является известный способ испытаний авиационного газотурбинного двигателя, включающий выбор типа испытаний, проектирование и многокритериальную оптимизацию потребительских свойств двигателя, определение перечня измеряемых и расчетных параметров и режимов работы двигателя, определение граничных условий для достижения потребительских свойств, формирование испытательного стенда, препарирование двигателя требуемыми средствами для измерений параметров в соответствии с типом испытаний, измерение параметров на различных режимах работы, сбор данных, их обработку, визуализацию, стыковку с расчетными данными и сопоставление с проектируемыми потребительскими свойствами, составление протоколов соответствия свойств и/или выработку корректирующих воздействий.
/Ю.А. Зеленков, В.Ю. Чувилин, В.Е. Журавлев. // Комплексная автоматизация испытаний газотурбинных двигателей, ч. 1 и 2, г. Уфа, УГАТУ. - Вестник УГАТУ, 2011 г., т. 15, №2(42) с. 119-131/
Известный способ характеризуется повторяемостью испытательных работ, недостаточным использованием результатов ранее проведенных аналогичных испытаний данного двигателя и других двигателей данной серии, отсутствием сведений по оптимизации характеристик двигателя и недостаточной информативностью проводимых испытаний, значительной продолжительностью цикла плановых испытаний при эксплуатации и ремонте и увеличенными затратами.
Задачей изобретения является повышения эффективности способа испытаний газотурбинных авиационных двигателей.
Ожидаемый технический результат - снижение нерациональных затрат и средств, сокращение времени на разработку и создание двигателей, за счет исключения многократной повторяемости испытаний, повышение информативности проводимых испытаний, оптимизация рабочих характеристик двигателя и широкое использование программных продуктов математического моделирования для оптимизации параметров двигателей на этапах всего их жизненного цикла.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что в известном способе испытаний авиационного газотурбинного двигателя, включающем выбор типа испытаний, проектирование и многокритериальную оптимизацию потребительских свойств двигателя, определение перечня измеряемых и расчетных параметров и режимов работы двигателя, определение граничных условий для достижения потребительских свойств, формирование испытательного стенда, препарирование двигателя требуемыми средствами для измерений параметров в соответствии с типом испытаний, измерение параметров на различных режимах работы, сбор данных, их обработку, визуализацию, стыковку с расчетными данными и сопоставление с проектируемыми потребительскими свойствами, составление протоколов соответствия свойств и/или выработку корректирующих воздействий, по предложению, предварительно формируют библиотеку зарегистрированных файлов данных, полученных в течение всех предыдущих испытаний данного двигателя и других двигателей данной серии, сформированных по типу испытаний и достигнутым потребительским свойствам, определяют характерные промежутки времени, в которых на различных режимах в заданных условиях измеренные и расчетные параметры, значений минимальной и максимальной граничных характеристик определяющих диапазон колебаний параметров, а также коэффициенты влияния режимов работы двигателя на граничные характеристики коррелируют между собой, после чего, с помощью программного обеспечения, производят автоматизированное сравнение полученных и содержащихся в библиотеке аналогичных результатов и составляют протокол соответствия свойств и/или вырабатывают корректирующие воздействия, при этом в качестве расчетных параметров используют данные из библиотеки зарегистрированных файлов.
Сущность изобретения заключается в предварительном создании библиотеки зарегистрированных файлов данных, полученных в течение всех предыдущих испытаний данного двигателя и других двигателей данной серии, сформированных по типу испытаний и достигнутым потребительским свойствам. При создании библиотеки создаются и используются следующие виды данных:
1) данные стационарных процессов (контрольные точки) в единицах физических величин;
2) данные переходных процессов;
3) данные динамических процессов;
4) результаты предварительной обработки данных на стенде (редуцированные данные и отчеты в форматах MS Office, файлы в графических форматах и т.д.);
5) любые файлы, имеющие отношение к испытаниям (например, программа испытаний в формате MS Word или конфигурационный файл УИВК в формате XML).
Библиотека включает виртуальную среду обеспечивающую работу системы управления конфигурацией при конструировании, системы управления конфигурацией в производстве, системы подготовки технологий испытаний и системы хранения и обработки данных испытаний.
Библиотека обеспечивает возможность многокритериальной оптимизации потребительских свойств двигателя, в соответствующих промежутках времени, в зависимости от измеренных значений на объекте испытаний, измеренных на всех предыдущих испытаниях данного двигателя и других двигателей данной серии и расчетных параметров, значений минимальных и максимальных граничных характеристик, а также коэффициентов влияния режимов работы двигателя на граничные характеристики.
В качестве расчетных параметров используются данные из зарегистрированных файлов библиотеки, полученные в результате расчета по моделям, составленным с помощью системы подготовки технологии испытаний.
На чертеже приведена блок схема последовательности этапов действий и решений, обеспечивающих реализацию способа испытаний авиационного газотурбинного двигателя.
Техническое выполнение и обеспечение реализации этапов способа осуществляется с помощью стандартных аппаратурных средств и в заявке не рассматривается.
Пример реализации способа испытания газотурбинного двигателя (ГТД).
На репрезентативной группе из трех-пяти ГТД в процессе ресурсных испытаний проверяли работу направляющих аппаратов компрессора низкого давления КНД и компрессора высокого давления КВД при работе противо-обледенительной системы (ПОС).
Испытания проводили на специальном стенде, оборудованном управляющим измерительно-вычислительным комплексом (УИВК), содержащим стендовые датчики, каналы связи, устройства нормализации сигналов, вторичных преобразователей, измерительных и вычислительных модулей, компьютеров с программным обеспечением и другими устройствами. При выборе конкретных решений УИВК использовалось стандартные технологии и оборудование, которое позволило разработать модульную распределительную систему, различные компоненты которой заменяются и обслуживаются независимо друг от друга, что радикально сокращает затраты на ее эксплуатацию.
Использовали предварительно разработанную для данного типа испытаний математическую модель двигателя, содержащую параметры, достижение которых в сравнении с измеряемыми параметрами обеспечивает устойчивою работу двигателя на стационарных и переменных режимах при включенной противо-обледенительной системе (ПОС). (Многокритериальная оптимизация потребительских свойств).
Значения измеряемых и расчетных параметров приведены в таблице 1.
Для определения граничных условий использовали:
Температуру на входе Твх как критерий включения и выключения противо-обледенительной системы (ПОС);
Значения приведенных оборотов N1пр для определения границы допуска величин направляющих аппаратов компрессора низкого давления КНД на стационарных режимах для устойчивой работы двигателя;
Значения приведенных оборотов N2пр для определения границы допуска значений направляющих аппаратов КВД на стационарных режимах для устойчивой работы двигателя;
Значения приведенных оборотов N1пр для определения границы допуска значений направляющих аппаратов КНД на переходных режимах для устойчивой работы двигателя;
Значения приведенных оборотов N2пр для определения границы допуска значений направляющих аппаратов компрессора высокого давления КВД от приведенных оборотов на переходных режимах для устойчивой работы двигателя.
Граничные значения перемещения рычага управления двигателем (Аруд) для режимов в интервале от (Режим 1…8 мин до Режим 1…8 мах), соответственно приведены в таблице 2, а граничные условия углов направляющих аппаратов КНД и КВД в таблице 3.
На испытательном стенде и каждом двигателе устанавливали соответствующие датчики (Формирование испытательного стенда и препарирование двигателя).
Сбор данных от датчиков осуществляли с частотой 100 Гц. Сведения от датчиков оборотов N1, N2, датчиков положения направляющих аппаратов КНД и КВД, а также рычага Аруд получали от системы автоматического управления САУ двигателя. Информацию от датчиков температур Твх, Т300, Т4, а также датчиков давления Р49, Р300 получали от УИВК стенда.
Формирование библиотеки зарегистрированных файлов данных производилось после компоновки единого пакета данных на сервере УИВК и передаче его на автоматизированное рабочее место (АРМ) расчетной бригады. Библиотека представляла собой совокупность всех зарегистрированных файлов данных, файлов конфигурации АРМ и УИВК, настроек расчетного модуля и препарировки.
В качестве характерных промежутков времени определялись:
1) включение ПОС;
2) процесс работы ПОС;
3) выключение ПОС.
Устанавливались следующие коэффициентов влияния на граничные характеристики:
1) изменение допусковых границ А1 и А2 в зависимости от стационарного или переменного режима;
2) изменение корреляционных связей параметров на коэффициенты Ki=fi(Nпр) в процессе работы ПОС.
В качестве диапазона колебаний параметра определялись забросы и провалы N1, N2, Т4 на переменных режимах и вождение оборотов N1, N2 на стационарных режимах.
В процессе обработки данных определялось Твх как среднее мажоритарное по 6 каналам, приводились обороты N1 и N2 к Твх, определялся режим по положению рычага Аруд.
В процессе испытаний в режиме реального времени осуществлялась визуализация сменному инженеру критерия включения и выключения ПОС, контрольного сигнала о работе ПОС, текущего положения зависимостей Al=f(N1пр) и A2=f(N2пр) и границ допусков на стационарных и переменных режимах, индикация всех точек нарушения законов регулирования, текущего режима работы двигателя.
В процессе автоматизированного сравнения полученных и содержащихся в библиотеке аналогичных результатов, на основании статистичеких данных параметров Р49, N1, N2, Т300, Р300 определялось математическое ожидание параметров для каждого режима работы двигателя при включенной ПОС (таблица 1). При выходе анализируемого значения за границы дисперсии промежуток времени фиксировался в отдельном протоколе соответствия для проведения углубленного анализа (таблица 4).
По итогам автоматизированного сравнения полученных и содержащихся в библиотеке аналогичных результатов создавались:
1) сводный протокол по наработке ПОС за весь период ресурсных испытаний с указанием времени начала и длительности работы каждого включения ПОС и значений Р49, N1, N2, Т300, Р300;
2) индивидуальные протоколы по нарушениям законов регулирования для каждого отдельного испытания.
При использовании результатов испытаний из базы данных выбирались измеренные и расчетные параметры N1пр, N2пр, A1, А2, Аруд, Р49, Т300, Р300, Т4 из данных ранее проведенных испытаний только при включенной ПОС.
Использовались следующие программные продукты математического моделирования:
1) алгоритмы поиска промежутков включения, работы и выключения ПОС по соответствующим критериям и контрольным сигналам;
2) алгоритмы определения режима работы двигателя;
3) алгоритмы поиска нарушений граничных условий законов регулирования;
4) алгоритмы анализа корреляционных связей параметров.
По итогам анализа результатов измерений выявлено периодическое нарушение граничных условий A12=f(N2пр) на переходных режимах (≈2,3% от суммарного времени переменных режимов). На стационарных режимах нарушения допусковых границ отсутствовали. Определены значения N1, N2, Т300, Р300, при всех включениях ПОС, время работы ПОС за весь период ресурсных испытаний.
Выработаны следующие корректирующие воздействия: необходима замена дроссельного пакета, подобранного по проливке для работы гидроцилиндров направляющих аппаратов НА и дана рекомендация доработки механизации НА. Составлена библиотека работы ПОС в течение всех РИ, набраны статистические данные параметров Р49, N1, N2, Т300, Р300 при работе ПОС.
В результате использования данного способа испытаний удалось сократить время доводки ПОС двигателя при анализе работы ПОС на 5-6%.
Применение изобретения позволяет сократить время на разработку и создание двигателей, а также снизить нерациональные затраты, за счет исключения многократной повторяемости испытаний, помогает повысить информативность проводимых испытаний, обеспечивает оптимизацию рабочих характеристик двигателя и широкое использование программных продуктов математического моделирования для оптимизации параметров двигателей на всех этапах их жизненного цикла.
где: К1, К0 - коэффициенты корреляционных связей от n1пр,
ММ - ожидаемое значение по математической модели,
Δ - допуск измеренного значения от ожидаемого.