Text
ПРЕДИСЛОВИЕ
Первое издание учебника “Испытания воздушно-реактивных
двигателей” вышло в свет в 1992 году. За прошедший период, не-
эации и снижение интенсивности разработок авиационной техни-
ки, продолжалось совершенствование методологии создания
ювых изделий, что отразилось на содержании и методах проведе-
ния испытаний авиационных двигателей, а также на приемах об-
работки и анализа получаемых результатов. Так, были разработа-
ны правила сертификации воздушных судов и авиационных дви-
ресурса. На базе авиационных двигателей интенсивно разрабаты-
ваются стационарные газотурбинные установки, находящие широ-
раслях промышленности.
автоматизации привело к тому, что автоматизация эксперимента
стала неотъемлемой (и даже обыденной) стороной практически
всех видов испытаний.
Развитие методов компьютерного моделирования конструк-
ции и рабочих процессов создает потенциальную основу для со-
кращения объема испытаний, что чрезвычайно важно вследствие
ний. Однако это обстоятельство приводит к повышению требова-
ний к достоверности и информативности эксперимента, обеспече-
ние которых возможно не только за счет применения высокоточ-
тальной доводки, который не должен быть утрачен. Поэтому в
издания, существенно переработаны и дополнены большинство
шых установок, создаваемых на базе авиационных двигателей.
Работа над учебником была распределена следующим образом:
О. Марчуков — глава 9 и участие в редактировании; И.И. Они-
4 и раздел 7.2; Е. М. Таран — глава 5; А.Я. Черкез —
разделы 1.1—1.4.
ника — коллективу кафедры “Те
ВВИА им. Н.Е. Жуковского и ег<
федры, д-ру техн, наук, проф. А.С. Полеву и Генеральному дирек-
тору АО “ММП им. В.В. Чернышева” д-ру техн, наук А.С. Нови-
кову за замечания и советы, которые способствовали повыше-
нию качества учебника, а также вед. науч, corp., канд. техн, наук
В. А. Крылову — за помощь в издании учебника.
Поддержка проекта осуществлена МАИ (ГТУ) и ОАО “НПО
“Сатурн”.
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
— скорость полета, м/с
— число Маха
— приведенная скорость
— осевая скорость движения воздуха или газа, м/с
— окружная скорость, м/с
— давление, Па (кПа)
- тяга двигателя, Н (даН, кН)
— мощность, Вт (кВт); число опытов
— удельная тяга двигателя. Нс/кг (дан с/кг)
- удельный расход топлива, кг/(Нс) (кг/(дан ч)
— степень повышения давления во входном устройстве
— степень повышения давления в компрессоре
— степень понижения давления в турбине
— степень понижения давления в реактивном сопле
— степень двухконтурности двигателя
— массовый расход воздуха, кг/с
— удельная работа, Дж/кг
— КОД
— коэффициент полноты сгорания топлива
р — энтальпия, Дж/кг
R V — газовая постоянная, Дж/(кг - К) — показатель адиабаты; число факторов — удельная теплоемкость, Дж/(кг К)
о — коэффициент сохранения полного давления — коэффициент избытка воздуха в камере сгорания; “звездное” плечо
— площадь проходного сечения, м2
— низшая удельная теплота сгорания топлива, Дж/кг
mKP — коэффициент в уравнении расхода (кг - К/Дж)0,5 — динамический коэффициент вязкости, Н с/м2;
г F(x pW а(х) ( — критерий Рейнольдса — функция распределения — плотность вероятностей — среднее квадратичное отклонение — доверительная вероятность — нормируемый параметр выброса i-ro газообразного ком- понента, г/кП щества 1, г/кг
D Lw W и О2, — параметр выброса сажи звуковая мощность, Вт — отклик — фактор S2 — дисперсия
ф X, X — значение фактора безразмерное и в размерностях физи-
— интервал варьирования фактора; интенсивность (сила) звука, Вт/м2
уровень звукового давления.
— стехиометрический коэффициент
ИНДЕКСЫ
ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ
Л(Х) = р/р ; т(Х) = Т/Т ;
е (Л) = р/р’ ;
= (рс)/ркр екр ;
£/(Х) = <7(Л)/п(Л) ;
/(Л) = (Gc + pF)/(p‘Г) ;
г(Х) = Х+ 1/Х .
ВВЕДЕНИЕ
В комплексе разнообразных задач, которые приходится ре-
шать при создании, производстве и эксплуатации авиационных
двигателей, большое место принадлежит экспериментальным ра-
Уже на начальной стадии разработки нового двигателя, после
выбора типа, конструктивной схемы и некоторых основных пара-
данными о реально достижимых КПД узлов и элементов проточ-
а, что неизбежно проявится в ходе дальнейшей
процесса развития авиационной науки.
После изготовления первых экземпляров создаваемого двига-
теля начинается наиболее трудный и длительный этап работы —
газодинамическая и прочностная доводка, целью которой являет-
ся обеспечение требуемых (заявленных) данных двигателя во всех
численные и разнообразные испытания двигателя, а также от-
дельных его узлов. В этих испытаниях определяются реальные
характеристики двигателя и его систем, оптимизируются режи-
от проектных данных, при » ость мероприятии
по устранению дефектов и улучшению основных показателей дви-
гателя по тяге (мощности), экономичности, устойчивости, надеж-
менений. Все они в обязательном порядке должны быть провере-
ны экспериментально, какими бы правильными и очевидными
песообразна разработка стационарных газотурбинных установок
ществ, так как базируются на передовых ш
стижениях, а сроки их создания невелики.
В процессе серийного производства каждый экземпляр дви-
предъявительские и приемосдаточные — с целью проверки ка-
чества изготовления и сборки, а также отладки всех агрегатов и
Помимо кратковременных испытаний периодически прово-
оценкой соответствия его техническому заданию по основным дан-
Кратковременные и периодические ресурсные испытания се-
рийной продукции обеспечивают стабильность производства и
В ходе серийного производства и эксплуатации двигателей
на летательном аппарате (ЛА) выясняется целесообразность вве-
дения в принятый эталон некоторых конструктивных или техно-
цежности, увеличения ресурса, устранения или предотвращения
дефектов, повышения технологичности производства, испыта-
пытания.
ля (от разработки до широкой эксплуатации) сопровождается про-
ведением испытаний.
его узлов, а также на применение в расчетах все более сложных
математических моделей и использование возможностей совре-
гателя, не только не уменьшается,
удельным и весовым параметрам двигателя, диапазону эксплуата-
полно учитывают взаимодействие элементов, влияние
ков, тепловое состояние элементов конструкции. В расчетные фор-
ристик нового двигателя, отличающегося конструкцией, парамет-
рами процесса, режимами работы. Поэтому все расчетные резуль-
чаемые параметры и характеристики обычно в большей или мснь-
Точно так же в расчетах прочности и долговечности деталей и
лениями о характере и величине действующих в системе двигате-
ля нагрузок, температурных полей, газовых сил. Надежная работа
двигателя в течение ресурса, составляющего для многих современ-
подтверждена только путем различных испытаний с выявлением
и устранением дефектов.
приводящая к увеличению объема экспериментов, состоит в том,
что двигатель обычно закладывается на пределе существующих
возможностей по КПД узлов, прочности материалов, весовым ха-
рактеристикам и часто даже с учетом перспективы их развития.
Только так может быть обеспечена конкурентоспособность двига-
теля к моменту выхода в эксплуатацию. Даже небольшие несоот-
ветствия в расчетных и реальных показателях эффективности
узлов и прочности деталей приводят к невыполнению технических
тальной отработки как рабочего процесса, так и прочности двига-
Объектом испытаний может быть двигатель в целом или его
отдельные узлы и системы — это определяется задачей испыта-
ний. В процессе доводки на испытания могут поступать двигатели
ледствии будут приняты для производства и эксплуатации. Одна-
ко на любой стадии доводки испытываемый объект должен быть
работоспособным на намеченных режимах в течение предполагае-
мого времени испытаний и обеспечивать воспроизводимость ре-
зультатов, т.е. сохранение (с точностью до случайных ошибок не-
зависимости от цели испытания экспериментальный объект в
большей или меньшей степени препарируется, т.е. оборудуется до-
полнительными, не входящими в его штатную конструкцию сред-
ствами измерений, в первую очередь, приемниками полных и ста-
тических давлений и температуры потока в различных сечениях
проточной части и в полостях.
В специальных испытаниях обеспечивается: измерение вибра-
ций агрегатов и коммуникаций; переменных напряжений в лопат-
ках, дисках, трубопроводах; зазоров в лопаточных венцах и лаби-
ринтных уплотнениях; температуры корпусов, дисков, лопаток.
Увеличивая объем измерений, можно получить дополнитель-
ную информацию и в одном и том же испытании выполнить не-
сколько различных программ. Однако не следует упускать из
гы в зависимости от задачи испытаний и требований к достовер-
ности результатов надо определить рациональный объем измере-
микроминиатюрных датчиков и различных бесконтактных мето-
дов измерений.
являются результатами непосредственного измерения в ходе ис-
пытаний. Большая часть розу.
аи подлежит расчет-
сферным условиям, определению характерных безразмерных
ляются такие важные параметры, как среднемассовая температу-
ра газа перед турбиной, расход газа через турбину двухконтурного
двигателя, коэффициент избытка воздуха и т.п.
матизированной обработки результатов измерений в темпе экспе-
римента с выдачей информации на дисплей, установленный на
пульте управления, а также на печать.
ния двигателей, компрессоров, турбин, камер сгорания, представ-
гетического оборудования, топливопитания, газовоздушными
коммуникациями, системами управления, контроля, измерений.
Особо сложными и дорогими являются стенды для испытаний двига-
чих выхлопных газов поддерживать давление, соответствующее
предельным высотам полета.
ил узлов сопряжено с
особое внимание повьп
>сти испытаний, т.е.
ний, получаемых в результате проведения каждой эксперимен-
тальной работы.
Наряду с использованием более совершенного оборудования и
измерительной техники, автоматизацией проведения и обработки
испытаний, комплексированием программ в практику испытаний
i soooataodu хпмэЛЯэизэи вахээ1пАэ ми эинвп
-hit aotfoaiaa хгшивп-аНо иъэонжэ1Гвн *aoi.Bj.4irAead оаэ nxsoHdaaoi-a
[ винэГпвнэо олояээьинхэл. ихэонжва иээа ис!п ohbhHq
эганнеИ э1чннэьА1ГОл
liiiingogo !вхяэч.до яилэийэл.яейвх оиГпвеиыилпо чхиклэкдо !яолвл
-airAead чхэоньол чхиэпаои гииХгегайофни ионнвтзе кинэьА1гоп кип
BDHMtaoiAgadi. ‘иишмлчиэи 1чэч.до члишчнакА woaedgo ииявъ и под
-он вхнэыийэиэяе кинвао(1инв1си иийоэл aotfoiaw эинэнэиийц -вл
-Hawndanane эинвасх1инв1____________мэдвм иэхэ^Уана иэц-эхвлиаР
Глава 1.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ИСПЫТАНИЙ
ДВИГАТЕЛЕЙ
1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ИСПЫТАНИЙ
Многочисленные виды испытаний, которые проводятся в про-
условно подразделить на следующие группы:
1) научно-исследовательский эксперимент, проводимый на
димые в процессе разработки и доводки:
этом в виду, что различные по целям испытания могут часто
ки, используемому оборудованию, технике измерений.
1.2. НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ЭКСПЕРИМЕНТ
Цель научно-исследовательского эксперимента — изучение
ВРД, определение характеристик элементов и возможных средств
их улучшения применительно к условиям использования в буду-
щих проектах и конструкциях. Научно-исследовательский экспе-
ционной науки и техники.
введении научно-
методы расчета характеристик узлов ВРД, вносятся необходимые
при проектировании ВРД.
При проведении этого вида испытаний обычно используются
тания их (в частности, сжатым воздухом или нагретым газом)
часто требуются достаточно мощные источники в вцде компрес-
Особенностыо исследовательского эксперимента является воз-
можность проведения большого числа измерений с использовани-
ем тонкой измерительной аппаратуры (например, термоанемомет-
ров, лазерных приборов, теневых и интерференционных оптичес-
ких устройств), которые трудно применить при испытаниях на ра-
ботающем двигателе.
Из большого числа различных исследовательских эксперимен-
тов, проводящихся на элементах двигателя, конкретно отметим
следующие, наиболее важные.
ток с исследованием полей скорости на выходе из них, распре-
ления потока на входе. Эти материалы необходимы для опти-
Испытания пакетов лопаток на установках, с подогревом воз-
духа (газа) на входе до высокой температуры (иногда до натурных
ля) позволяют отработать систему охлаждения сопловых и рабо-
распределение фактической температуры поверхности лопаток.
духа, выяснить эффективность работы теплозащитных покрытий
сеобразования, характеристик форсунок различной конструкции,
содержания вредных веществ в продуктах сгорания, устойчивос-
ти горения. Поскольку процессы, происходящие в камерах сго-
требуется создавать на входе в объект практически натурные
параметры.
конструирования лопаточных машин может быть достаточно но-
мерам, геометрически подобных по проточной части) ступеней или
групп ступеней компрессоров и турбин. Возможности геометричес-
кого моделирования широко используются в научно-исследова-
тельском эксперименте. Модельные объекты проще изготовить,
чем натурные, испытания их требуют меньших затрат энергии и
менее мощных экспериментальных стендов. При проведении мо-
дельных испытаний следует внимательно относиться к соблюде-
нию равенства основных, характерных для изучаемых явлений,
критериев подобия на модели и натуре (чаще всего чисел М и Re),
если, конечно, они не находятся в области автомодельности. В
частности, по соображениям автомодельности, характеристики
таких узлов, как диффузоры, сопла, смесители двухконтурных
малого размера. С другой стороны, обтекание профилей и решеток
сравнению с натурой.
На стадии научно-исследовательского эксперимента изучают-
ся свойства новых конструкционных материалов, покрытий, шу-
моглушащих конструкций, контактных уплотнений, демпферных
устройств и других элементов, которые в дальнейшем могут быть
использованы в конструкции двигателя.
Для исследования возможностей совершенствования рабочего
частности, температуры газа перед турбиной), а также определе-
ния характеристик в условиях взаимодействия элементов проточ-
ной части может создаваться экспериментальный газогенератор,
использующий новые технические решения.
1.3. УЗЛОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ
Испытания отдельных узлов двигателя на автономных стен-
дах являются эффективным средством опережающей отработки
новых технических решений, позволяющим сократить объем, сто-
Целесообразность проведения узловых испытаний обусловле-
на, в первую очередь, тем, что они могут выполняться на ранней
обычно более простом, чем стенд для испытания двигателя, и ра-
число датчиков системы измерений, а при испытаниях имеется
возможность определить его характеристики и параметры на
Опыт создания современных двигателей свидетельствует о
том, что все большая часть экспериментальных работ переносится
стендах, оборудованных приводом от электродвигателя или газо-
вой турбины. При необходимости используется редуктор (муль-
жен быть оснащен устройствами для дросселирования потока на
характеристпк и КПД вплоть до границы устойчивой работы при
различной приведенной частоте вращения.
мерного потока воздуха на входе; специальные характеристики
стендовыми устройствами, — интерцепторами, сетками, имитато-
щего момента. Важную информацию о работе и согласовании ха-
рактеристик ступеней дают измерения статического давления на
корпусе между лопаточными венцами, полного давления и темпе-
ратуры торможения за рабочими колесами (на входных кромках
направляющих аппаратов или с помощью вставных гребенок).
На автономном компрессорном стенде можно выполнить тен-
зометрирование лопаток всех ступеней, определить уровень пере-
менных напряжений, убедиться в отсутствии автоколебаний. Это
позволит с большей уверенностью приступить к испытаниям дви-
Узловые испытания турбины (обычно по ступеням или каска-
дам) проводятся на гидротормозном стенде, и их главной целью
является определение КПД турбины при изменении определяю-
щих параметров процесса и п/'!т^ в области, характерной для
ателя. На турбинном стенде можно достаточ-
лений, частоту вращения, температуру газа. На выполненном дви-
точной части.
Характеристики турбины можно определять при температуре
газа, меньшей, чем на двигателе, при этом из условий подобия
меньшей будет и физическая частота вращения, что упрощает
проведение эксперимента и измерений. Такие испытания позволя-
ют определить газодинамические характеристики на этапе, когда
система охлаждения еще недостаточно доведена.
При испытаниях на автономном турбинном стенде помимо га-
зодинамических исследований проводят тензометрирование лопа-
данные, однако, впоследствии требуют проверки в реальной ком-
поновке турбины на двигателе или газогенераторе.
фективности работы системы охлаждения лопаток турбины прово-
дится обычно на неподвижных пакетах сопловых лопаток при
температуре газа, равной максимальной местной температуре
перед турбиной, а для рабочих лопаток — при соответствующей
газа может быть меньшим, чем в натурных условиях.
ной конструкции (для кольцевых камер допускается испытание
отсека) проверяются ее гидравлические характеристики (потери
полного давления), еффективность горения топлива (коэффициент
полноты сгорания), устойчивость горения, высотность запуска.
здании ВРД приходится, как правило, проверять несколько вари-
антов конструкции камеры, а в выбранном варианте проводить оп-
двигателя. При узловых испытаниях камеры сгорания достаточно
двигателя, например границы срыва пламени по величине а в за-
висимости от скорости воздуха. Непосредственное измерение тем-
пературы стенок жаровой трубы позволяет определить наиболее
параметрами, соответствующими выходу из последней ступени
значение потерь при горении в зависимости от коэффициента из-
деления подачи топлива по сечению, границы срыва.
При узловых испытаниях форсажной камеры может быть
также проверено тепловое состояние элементов конструкции и до-
тов и систем ВРД, отметим, что опыт создания ряда современных
цвигателей свидетельствует о большой эффективности узловых ис-
пытаний не только на ранней стадии работы, но и в период довод-
ки полноразмерного двигателя с целью поиска и реализации в
узлах резервов по повышению КПД, улучшению протекания ха-
Значительную роль при разработке ВРД играют испытания га-
; двигателей <
но и как одно из направлений обеспечения опережаю-
его научно-технического задела.
Работоспособность и эффективность газогенератора являются
; при проектировании компрессора и турби-
В частности, по измерениям давления и температуры перед
компрессором и за турбиной газогенератора можно подсчитать по-
лезную работу, а затем и общую эффективность (КПД) турбоком-
прессорной части. Это позволяет по результатам испытаний газо-
мые высотно-скоростные характеристики двигателя, с помощью
нических условий, выяснить целесообразность каких-либо изме-
Испытания газогенератора проводятся на стенде, близком по
конструкции к двигательному; возможно упрощение стендового
оборудования, поскольку здесь измерения тяги обычно не требу-
Вместе с тем при испытании газогенератора приходится ре-
шать некоторые специфические методические вопросы. Напри-
мер, как при отсутствии соплового аппарата турбины низкого дав-
ления создать правильный (расчетный) перепзд давлений на тур-
бине газогенератора, как охладить наружную поверхность корпу-
са горячей части, не имея наружного контура ТРДД. При опреде-
лении некоторых характеристик требуется создать на входе в газо-
генератор условия, близкие к условиям работы его в системе дви-
гателя. Для этого стенд должен иметь систему подачи на вход
сжатого и подогретого воздуха.
После того как собраны первые экземпляры двигателя, основ-
ные вопросы определения характеристик и газодинамической до-
водки решаются путем испытания двигателя. Однако испытания
газогенератора при этом не прекращаются, поскольку позволяют
получить полезные и вполне достоверные материаны для доводки
двигателя.
метрирование лопаток и дисков компрессора и турбины высоко-
го давления двухвальных и двухконтурных двигателей, значи-
тельно проще вести на газогенераторе, где имеется возможность
установить токосъемник непосредственно на роторе высокого дав-
1.4. ДОВОДОЧНЫЕ И СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ИСПЫТАНИЯ
Первые экземпляры нового двигателя по основным показате-
от соответствующих проектных величин, записанных в техничес-
ких условиях. Выйти на заявленные величины по параметрам во
всех условиях эксплуатации и по ресурсу удается только после
тщательной экспериментальной отработки — газодинамической и
прочностной доводки, для чего обычно требуется провести испыта-
волнением на них до
мерном двигателе, поскольку даже детальные узловые испытания
ментов в системе двигателя. В частности, нередки случаи, когда
при узловых испытаниях получены достаточно высокие, практи-
Газодинамическая доводка — это комплекс эксперименталь-
ных, конструкторских и технологических работ, направленных
на достижение записанных в технических условиях (ТУ) показа-
телей по тяге (мощности), экономичности и газодинамической ус-
тойчивости на стационарных режимах и в переходных процессах.
В процессе газодинамической доводки двигателя необходимо
решить множество разнообразных задач, в частности:
двигателя на режим малого газа за за.
работе на расчетные или оптимальные
при их совместной
давления воздуха в вентиляторе, расчетную линию рабочих режи-
корректирования площади сопловых аппаратов турбины, сопла,
смесителя двухконтурных ВРД;
менных процессах — приемистости, дросселировании, включении
t отсутствие недопустимых колебаний параметров;
ния штатных регулируемых элементов и уточнить предваритель-
щих аппаратов компрессора, площади сечения реактивного сопла
— определить фактические запасы газодинамической устой-
рования, так и специальными технологическими узлами и стендо-
— уточнить выбранные законы управления и ограничения ре-
жимов, параметры настройки системы автоматического управле-
Эффективность всех вводимых мероприятий по улучшению
его дроссельной стендовой характеристики. Дроссельная характе-
ристика двигателя, в частности изменение таких параметров, как
удельный расход топлива и температура газа перед турбиной по
тяге, является наиболее объективным показателем эффективности
дроссельную характеристику определяют практически при каж-
ствует специфика выполняемой программы или компоновки дви-
гателя и оборудования.
Перечисленные виды доводочных испытаний проводятся в ос-
новном па обычных заводских стендах; для некоторых из них
РЯД доводочных работ требует проведения испытаний опытно-
ких требованиях заказчика задаются параметры двигателя — тяга
скорости (числу М) полета.
тационной области полета, в первую очередь основных данных на
заявленных режимах;
— оптимизация совместной работы элементов, в частности
мах и снижения удельного расхода топлива на заявленных крей-
серских режимах;
— подбор оптимального по тяге двигателя распределения топ-
— определение потребных для выполнения технических тре-
— уточнение программы работы системы автоматического уп-
равления (САУ), а также методики отладки двигателя на стенде,
необходимой для выполнения этих программ;
— определение границ надежного запуска с режима авторота-
ной камеры в высотных условиях, устойчивости горения, управ-
управления, стендовой отладки, ограничений по параметрам и ре-
перехода к новой партии (серии, редакции).
После прохождения определенного цикла испытаний на высо-
надежной работы двигателя в течение установленного ресурса.
дисках, валах компрессора и турбины; проверка отсутствия авто-
колебаний лопаток компрессора (вентилятора);
горячей части с целью провер-
— определение осевых сил, действующих на подшипники ро-
тановленных на нем агрегатах; тензометрирование трубопроводов
тельность и продолжительность стационарных и переменных ре-
параметрам и состоянию двигателя на каждом этапе доводки можно
было судить о его работе в условиях эксплуатации.
Ресурсные стендовые испытания в ходе доводки проводятся
условия эксплуатации, с увеличением доли наиболее напряжен-
се доводки проверяется испытаниями в течение двух и трех ресур-
диться длительные испытания при значительном превышении
гревом воздуха на входе, а иногда — на высотном стенде при пре-
геля на наиболее напряженных режимах по условиям охлаждения
вости горения, возможности возникновения автоколебаний лопа-
вениые испытания и на сертификацию, он должен успешно прой-
яовных характеристик двигателя в стендовых и высотно-скорост-
ных условиях, проверка газодинамической устойчивости, опреде-
ляной системы, антиобледенительной системы, системы защиты
25
ст помпажа и ряд других испытаний. Многие из этих программ
Ряд испытаний в процессе доводки проводится для проверки
работы двигателя в экстремальных и нештатных ситуациях. Сюда
относятся, например, проверка работы при отказе основной систе-
мы управления и переходе на резервные системы, при превыше-
нии максимально допустимой температуры газа, максимальной
частоты вращения роторов, при максимальной температуре, ми-
нимальном давлении или кратковременном прекращении подачи
масла, при попадании на вход в компрессор посторонних предме-
жа и возможности продолжать полет.
Каждое испытание двигателя должно использоваться для по-
лучения информации по возможно большему числу вопросов, ре-
вом испытании определяются характеристики в начале и конце
ются сведения об уровне и стабильности достигнутых основных
бины и т.п. Внимательный анализ всей получаемой информации,
При проведении доводочных испытаний опытного двигателя
существует всегда определенный риск возникновения дефектов в
элементах проточной части, трансмиссии, систем, что может при-
ранней стадии их развития; это должно быть учтено в конструк-
ции опытного двигателя. Окна и лючки в корпусе позволяют с по-
ирессора и турбины, диски, поверхность жаровой трубы, обнару-
жить трещины, забоины, выгорания, отслаивание покрытий. Де-
фекты трансмиссии, подшипников, шестерен могут быть своевре-
таллических включений. Контроль давления воздуха и газа в раз-
грузочных и межлабиринтных полостях позволяет выявить по-
контрольными и диагностическими средствами позволяет во мно-
гих случаях предотвратить серьезные повреждения и тем сэконо-
мить время и средства на доводку.
Очень полезным бывает применение в доводочных испытани-
ях специальных технологических узлов двигателя, в особенности
при проведении оптимизации параметров и режимов работы эле-
с регулируемым выходным сечением, поворотные насадки и гре-
бенки для измерения давлении и температур потока, секционные
топливные коллекторы форсажной камеры с возможностью пере-
технологической “развязанной” системой электронной автомати-
ки, позволяющей с пульта менять не только настройку, но и про-
чика. В зависимости от того, насколько существенны внесенные
на завершающем этапе изменения, по согласованию с заказчиком
устанавливается перечень специальных испытаний и проверок,
Завершением доводки является проведение чистовых ресурсных
испытаний. К этому времени суммарная наработка двигателей обыч-
ны, при такой наработке могут быть достигнуты требуемые норма-
1.5. СЕРТИФИКАЦИЯ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ,
СЕРТИФИКАЦИОННЫЕ И ГОСУДАРСТВЕННЫЕ
ИСПЫТАНИЯ
До начала летной эксплуатации и серийного производства
чающую сертификационные испытания. Двигатели государст-
зультатов государственных стендовых испытаний (ГСИ). Для
вмещенные государственные стендовые и сертификационные ис-
пытания.
Сертификация — установление соответствия авиационной
среды. (Требования к летной годности — это комплекс требований
к конструкции, параметрам и летным качествам воздушных
судов и их компонентов, направленных на обеспечение безопас-
Правила сертификации для стран СНГ разработаны в соответ-
ствии с принятым в 1991 году Соглашением о гражданской авиа-
ции и использовании воздушного пространства. Реализацию
ной годности и процедур сертификации осуществляет Ав иацион
ный регистр МАК (Авиарегистр). Документальной основой этой
правил, норм и стандартов, направленных на обеспечение без-
опасности полетов и охраны окружающей среды от воздействия
авиации.
гательные двигатели (ВД) и воздушные винты (ВВ), проходят сер-
тификацию в соответствии с установленными Правилами процеду-
рами с выдачей Авиарегистром Сертификата типа — документа.
бованиям сертификационного базиса , т. е. комплекса требований
к летной годности и охране окружающей среды, распространен-
ных на данный образец авиационной техники.
Для оценки выполнения правил сертификации, сертификаци-
онных работ, доказательной и эксплуатационной документации
Авиарегистр формирует рабочие группы, макетные комиссии,
группы экспертов и другие рабочие органы, в состав которых вхо-
дят специалисты Авиарегистра и могут включаться специалисты
Сертификационных центров, научно-исследовательских, испыта-
тельных и других организаций. (Сертификационный центр — орга-
низация, выполняющая сертификационные работы и имеющая на
В организациях Разработчика и на предприятиях Изготови-
ствующим органом государственного регулирования и Авиареги-
стром. Эта инспекция осуществляет контроль за соблюдением про-
приемку экземпляров этой техники и выдачу на них сертификатов
петной годности и других документов.
Функции Независимой инспекции для двигателей государст-
Контрольные функции у иностранных разработчиков и изго-
товителей при совместном производстве авиационной техники осу-
ществляются в каждом конкретном случае на основании межпра-
Разработчик должен иметь в своей организации службу серти-
тельность других служб в целях реализации требований к летной
годности и охране окружающей среды в конструкции и характе-
ристиках образца авиационной техники, в проведении сертифика-
ционных работ. Наличие в организации Разработчика службы сер-
тификации и Независимой инспекции является необходимым ус-
ловием получения от Авиарегистра Сертификата Разработчика об-
разца авиационной техники.
Процесс сертификации вновь создаваемых образцов авиацион-
ной техники происходит в такой последовательности:
а) подача заявки в Авиарегистр на получение Сертификата
Авиарегистром;
в) проведение этапа макета образца вместе с его компонента-
г) сертификационные заводские испытания образца (СЗИ) —
д) сертификационные контрольные испытания образца (СКИ)
е) анализ результатов сертификации, принятие решения и вы-
дача Авиарегистром Сертификата типа на образец.
гистр Разработчиком образца авиационной техники. К ней прила-
— спецификация образца, содержащая краткое техническое
описание, схемы систем, основные характеристики, ожидаемые
будет сертифицирован образец;
— план-проспект сертификационного базиса образца, который
должен содержать перечень глав, разделов и пунктов Авиацион-
ных правил (норм летной годности), распространяемых на этот об-
годности, требований к защите окружающей среды.
гистром до результатам сертификации образца.
Работа на этапе макета проводится макетной комиссией в со-
ствия компонента требованиям сертификационного базиса, проект
плана сертификационных испытаний; определяет организации,
которые примут участие в дальнейших сертификационных рабо-
тах. По результатам работ оформляется протокол макетной комис-
сии, который является основой для дальнейших работ. Характе-
ристика основных видов сертификационных испытаний содержит-
Целью сертификационных заводских испытаний является:
а) доведение конструкции образца авиационной техники, его
б) установление типовой конструкции образца;
в) определение условий предъявления образца на сертифика-
: сертикафиционных контрольных испытаний заявитель про-
центром.
авиационной техники его сертификационному базису;
> типовой конструкции образца.
СКИ обеспечиваются Заявителем и проводятся на его базах
После утверждения актов СЗИ и СКИ Заявитель направляет в
виарегистр Представление на получение сертификата типа ком-
онента (АМД, ВД, ВВ). К представлению прилагается таблица со-
комплект эксплуатационной документации, уведомление Заявите-
Юкументация откорректирована по результатам сертификацион-
ных работ и пригодна для серийного производства компонента
данного типа.
ние Сертификата типа по шуму на местности.
В процессе серийного производства и эксплуатации образца
авиационной техники Держатель Сертификата типа должен обес-
печить его техническое сопровождение, направленное на поддер-
жание уровня летной годности. Например, необходимо организо-
вать авторский контроль стабильности технологических процессов
:тоянства характеристик деталей и узлов. Регулярно должен обоб-
щаться опыт эксплуатации и производства, и полугодовые отчеты
по вопросам летной годности должны направляться в Авиаре-
гистр. При внесении модификаций в типовую конструкцию серти-
типа, а при суп .гое изменение
количества основных деталей, принципов их работы, значитель-
ние новой сертификации.
В Авиационных правилах дана общая характеристика серти-
фикационных испытаний. Их можно подразделить на ряд видов.
постные) характеристики двигателя для стандартных атмосфер-
установкой только тех агрегатов, которые необходимы для функ-
Вибрационные испытания предназначены для установления
вибрационных характеристик дисков и валов роторов, рабочих ло-
ся при всех частотах вращения роторов при реализации макси-
В длительных 150 часовых испытаниях предусматривается
ги), моделирование неблагоприятных условий работы (например,
мы запуска, приемистость двигателя и т.д.
Предусмотрены испытания отдельных компонентов двигате-
ля, которые не могут быть соответствующим образом проверены
гример, определение характеристик компрессора, проверка
пример, испытания по проверке локализации лопаток внутри дви-
гателя при их обрывах, по проверке работы двигателя при попада-
ре газа, в условиях авторотации и т. д.
Конкретная программа испытаний для каждого двигателя оп-
ределяется в процессе сертификации.
Государственные стендовые испытания (ГСИ) проводятся ко-
ка двигателя, разработчика ЛА, отраслевых институтов. Первый
представляемых разработчиком документов, перечень которых за-
ранее регламентирован техническим заданием на разработку дви-
гателя. В числе этих документов: описание конструкции; газоди-
намические и прочностные расчеты; история доводки двигателя;
справка о суммарной наработке двигателей на стендах и в полете,
ний; результаты проверки в экстремальных условиях на высотном
1 проверке запасов газодинамической устойчивости, от-
зтоколебаний и виброгорения, о достаточных запасах
По представленным материалам комиссия устанавливает соот-
нию, а также современному научно-техническому уровню для дви-
тивному и эксплуатационному совершенству — модульности, кот-
рол епригодности, унифицированности используемых изделий и
материалов, технологичности, обоснованности начального ресурса
вкаченный для ГСИ, предъявляется комис-
сией ива югц их уровень
ГСИ проводят обычно либо по типовой 150-часовой программе,
либо по согласованной сокращенной эквивалентно-циклической
программе (см. ниже). Испытания проводятся этапами продолжи-
енностей эксплуатации ЛА. Двигатель во время испытаний рабо-
ает на различных режимах, многократно проводятся пробы при-
мистости, включение и выключение форсажа. Циклограмма эта-
ов выбирается так, чтобы достаточная часть испытаний проходи-
чьного нагружения узлов
кой частоты вращения. Для этого при необходимости часть этапов
проводится при повышенной температуре воздуха на входе. Все
агрегаты, приводимые от двигателя, загружаются в соответствии с
условиями их работы на самолете. Между этапами проводятся ос-
мотры и регламентные работы, в том числе предусмотренные ин-
струкцией по эксплуатации подрегулировки. Все обслуживание про-
го комплекта запчастей.
По завершении испытаний производятся полная разборка дви-
гателя, промывка, осмотр и дефектация его узлов и деталей. Мик-
рометрическим обмером определяют износ, вытяжку, деформации
нагруженных деталей, проверяют балансировку роторов, затяжку
минисцентным, токовихревым — проверяют отсутствие микротре-
щин в дисках, лопатках, валах, особенно в горячей части двигате-
дование предприятию-изготовителю. Общим требованием к состо-
янию деталей после испытаний является отсутствие дефектов ава-
рийного характера, препятствующих дальнейшему продолжению
испытаний или эксплуатации с ограниченным ресурсом. По ре-
зультатам государственных испытаний комиссией составляется
ного производства
разработчиком в намеченные планом сроки. Двигатель, прошедший
государственные испытания, хранится как эталон, принятый Заказ-
чиком; основные данные и характеристики, установленные при ис-
пытаниях, используются для составления ТУ на приемку серийных
1.6. ИСПЫТАНИЯ СЕРИЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
При серийном производстве авиационных двигателей на заво-
дах проводятся их стендовые испытания. Основными категориями
гаких испытаний являются:
- предъявите гьские;
— приемосдаточные;
— квалификационные;
— периодические;
— типовые (технологические).
Испытания должны проводиться по программам, составлен-
ным Разработчиком на основе программ конструкторской доку-
ственные испытания. Программы периодических, предъявитель-
ских и приемосдаточных испытаний входят в состав конструктор-
ской документации, передаваемой Разработчиком в серийное про-
В общем случае испытания должны проводиться с установлен-
яым для двигателя входным стендовым устройством. Параметры
турбовинтовентиляторные двигатели долж-
и конструкция которого соответствуют штатному, однако допуска-
ются испытания с другим винтом (например, уменьшенного диа-
метра) или с тормозным устройством.
Должна предусматриваться проверка работы двигателя с отбо-
его агрегатов.
Испытания проводятся на основных и дублирующих марках
топлив и масел. Периодически должен выполняться анализ топли-
Качество используемых для комплектации двигателя агрега-
тов и изделий должно быть подтверждено результатами входного
контроля. Исходная настройка агрегатов обеспечивается их изго-
При автоматизированном процессе испытаний ведется маши-
нописный протокол испытаний с приложением к нему карты по
выявлению и устранению дефектов.
дит кратковременне стендовые испытания, целью которых явля-
ется проверка качества производства и сборки, первоначальная
приработка деталей, приводов, агрегатов, отладка агрегатов и
этапов — предъявительского и приемосдаточного, между которы-
ми производится разборка, осмотр и дефектация деталей и повтор-
Двигатель, поступивший на предъявительские испытания.
новка агрегатов и датчиков, их крепление, подсоединение и креп-
Двигатель монтируют на тягоизмерительной платформе; к
ропреобразователи в различных сечениях и плоскостях, малоинер-
ционную термопару для измерения температуры газа за турбиной,
датчики температуры масла в отдельных откачивающих магистра-
лях» стендовый маслофильтр. Подключают аппаратуру осцилло-
ных магистралей, заправляют по норме маслобак, устанавливают
стендовый топливный фильтр. Далее запускают двигатель и после
яарных и переходных режимах с загрузкой с
В несколько циклов с промежуточными оста
метров малого газа, максимального и взлетного режимов, управ-
ления элементами механизации, включения и выключения форса-
двигателя контролируется время выбе-
>д масла, количество топлива, вытека-
хвигателя, устраняются подтекания топлива и масла в соедине-
1иях и другие дефекты, отмеченные при осмотре. По результа-
там измерений корректируется настройка агрегатов системы уп-
равления и топливопитания и производится следующий запуск,
дикл приработки, проверка, уточнение отладки. Таким образом, в
ры и устраняют дефекты, препятствующие ведению испытания,
параметрах и настройке САУ, а также отдельные дефекты, кото-
испытании.
В конце предъявительского испытания снимают дроссельную
характеристику, а в области форсированных режимов — характе-
качество проведенных регулировок и возможное
данном экземпляре технических требований к о<
Перед снятием двигателя со стенда может быть <
>лнения на
м данным.
ратурное поле потока газа за турбиной.
разборку по узлам и деталям, осмотр и дефектацию. Объем разбор-
ки различен для различных двигателей в зависимости от кон-
частоты наблюдающихся дефектов. Трансмиссия, приводы, опоры
в сборе с лопатками и кольцами лабиринтных уплотнений, лопат-
ки турбины снимаются с дисков для контроля специальными ме-
ся деталей, уплотнений, покрытий. Незначительные дефекты уст-
испытания или имеющими соответствующую им наработку. Лишь
видно, что основные данные двигателя выходят за преде-
величине зазоров с целью устранения или снижения утечек и
перетеканий. Заменой статорных деталей или напылением покры-
тий уменьшают в пределах допуска радиальные зазоры в компрес-
| соре и турбине. В каждом производстве опытом устанавливаются
ность температурного поля исправляется при переборке заменой
отдельных форсунок в топливном коллекторе; значения давлений
в разгрузочных полостях корректируются заменой гидравличес-
ких сопротивлений — заглушек, жиклеров — или деталей лаби-
ринтных уплотнений. В отдельных случаях, при больших откло-
нениях параметров (скольжения, линии рабочих режимов), может
потребоваться замена смесителя ТРДД или даже соплового аппа-
рата турбины другим с увеличенной или уменьшенной площадью
проходного сечения.
После переборки двигатель ставится на приемосдаточное ис-
пытание, программа которого, как и предъявительского испытания,
включает приработку, опробование на всех режимах, отладку агре-
I гатов и систем, снятие характеристик. Проверяется работа аварий-
окончательную проверку и регулировку всех систем, чтобы ввести
в норму технических условий все контролируемые параметры дви-
гателя на стационарных режимах и в переходных процессах. Поэ-
дольше предъявительского.
чтобы устранить возможные искажения, вносимые стендовым
оборудованием; отключается система загрузки самолетных агре-
гатов и отбора воздуха; отключаются стендовые измерительные
магистрали, заполнение объема которых на переходных процессах
1может повлиять на протекание процессов запуска, приемистое-
ти, включения форсажа. Все выявленные дефекты должны быть
устранены в ходе испытания с проверкой при последующем запус-
ка газодинамической устойчивости, границ запуска и др.). Напри-
мер, для определения достаточности запасов газодинамической ус-
ной регулировке режима срабатывания противопомпажных уст-
ройств, при ускоренной приемистости или при создании нормиро-
ванных возмущений во входном воздухозаборнике. Исправный
Завершается приемосдаточное испытание снятием дроссель-
ся значения нормируемых параметров на малом газе, крейсерских
режимах, максимальном и взлетном режимах. Если на фактичес-
ки отлаженных максимальном или взлетном режимах тяга превы-
шает заданную техническими требованиями, то такие параметры,
ной, определяются интерполяцией по кривым для номинальных
заданных значений тяги. Все эти параметры должны укладывать-
производство.
После окончания приемосдаточного испытания проводятся
технологические агрегаты, приборы и датчики, использовавшиеся
при испытаниях, производится опрессовочный запуск для провер-
ки герметичности восстановленных соединений в штатной компо-
двигателя, проверке функционирования системы управления и
автоматики, снятии контрольных точек на указанных в ТУ режи-
мах. При отсутствии отклонений в параметрах и характеристи-
ках, а также дефектов по осмотру после испытания двигатель при-
знается годным для эксплуатации и принятым Заказчиком. Про-
изводится внутреняя и наружная консервация, заполняется фор-
Фе;
: дополнительными затратами, которые
ления опыта испытаний сокращаются число и перечень дефектов,
выявляемых при переборке после испытаний. В результате прове-
дения конструктивных и технологических мероприятий серьез-
При положите
двигателя с части'
и эксплуатации
ли дефекты, для выявления которых необходима разборка двига-
теля. Должны быть разработаны методы, средства контроля и диа-
гностические признаки, позволяющие оценить состояние двигате-
ля без его разборки.
требованиям конструкторской документации, оценка проведен-
ных мероприятий по устранению недостатков, выявленных на
ГСИ или на сертификационных испытаниях, определение готов-
ности производства к выпуску двигателей, соответствующих дан-
ной типовой конструкции в заданном объеме.
Программа квалификационных испытаний разрабатывается
Двигатель для испытаний выбирается из 2...5 двигателей, про-
шедших приемосдаточные испытания. Если двигатель выдержал
квалификационные испытания, то качество партии двигателей
(установочной серии), за которую проводились испытания, а
также возможность дальнейшего изготовления и приемки двига-
телей по использованной технологической документации считают-
3. Периодические испытания проводятся для контроля ста-
проводится одно периодическое испытание в год, при годовом вы-
при годовом выпуске более 150 двигателей — не менее двух испы-
Периодические испытания являются ресурсными эквивалент-
аксимальных режимах, количество запусков, приемистостей долж-
юты по типовому полетному циклу.
Периодические испытания состоят из отдельных этапов. До
шла испытаний (до первого этапа) проводится снятие дроссель-
, предусмотренные программой. Между этапами двигатель ос-
ивается, выполняются регламентные работы. Допускается
• эксплуатации.
Оценка соответствия ТУ характеристик двигателя производит-
кдом этапе.
Перед началом и в конце испытаний градуируются системы
: требований к основным данным в заявленных высотно-ско-
’енде по методике и программе, использовавшимся при определе-
ии основных данных двигателя перед предъявлением его на госу-
наряду с определением высотно-скоростных характеристик
системой автоматики, отлаженной по действующей методике в
стендовых условиях, заданных законов управления режимами в
широких пределах изменения условий полета. После периодичес-
ких испытаний проводится разборка двигателя и дефектация его
При успешном прохождений двигателем периодических ис-
пытаний считается подтвержденным качество всех двигателей
контролируемой партии или изготовленных в контролируемый
Периодические испытания считаются неудовлетворительными
в случаях:
из строя двигателя до окончания испытаний;
। аварийного характера (влияющих
Если двигатель не выдержал периодических испытаний, то
приемка и отгрузка принятых двигателей приостанавливается.
Анализируются причины выявленных дефектов, разрабатываются
мероприятия по их устранению, и после их реализации и соответ-
ствующих проверок проводятся повторные периодические испыта-
ния, причем количество испытываемых двигателей при атом, как
правило, удваивается. Только после этого возобновляется приемка
которые не отмечаются даже в ряде длительных испытаний, но не-
избежно обнаруживаются в процессе эксплуатации.
Информация о возникающих в эксплуатации отказах, дефек-
поступает Разработчику и Изготовителю, которые должны по всем
конструктивные или технологические изменения. При серийном
производстве также совершенствуется технология изготовления,
термообработки, контроля, отладки элементов двигателя.
Все намеченные мероприятия могут вводиться только после
тщательной экспериментальной проверки. С этой целью на заводе
проводятся типовые (технологические) испытания. Их основная
задача — проверка конструктивных и технологических измене-
ний, вносимых для усовершенствования двигателя и устранения
дефектов, выявленных при производстве, ремонте и эксплуатации
двигателя. Кроме того, в типовых испытаниях уточняются пре-
дельные износы и зазоры в узлах ремонтных двигателей, проверя-
от целей конкретных испытаний и должны, как правило, соответ-
ствовать по длительности периодическим испытаниям. Так, если
изменений, влияющих на летную годность) основных узлов, то их
программа должна подтверждать установленный ресурс соответст-
вующей детали с учетом коэффициента запаса по статической и
циклической прочности. По порядку проведения и по оценке ре-
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Почему для достижения проектных характеристик и на-
объема доводочных испытаний?
2. Какие вопросы доводки двигателя могут быть решены более
полно при испытаниях отдельных узлов, чем при испытаниях на-
3. Какие испытания проводятся после окончания доводки дви-
4. Порядок сертификации авиационных двигателей.
5. Что такое сертификационный базис, и как он формируется?
6. Виды сертификационных испытаний и их задачи.
7. Для чего проводятся двукратные кратковременные испыта-
обоснованы?
8. Кроме кратковременных, какие еще испытания проводятся
при серийном производстве двигателей?
Глава 2.
ИЗМЕРЕНИЯ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ
ДВИГАТЕЛЕЙ
2.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ИЗМЕРЕНИЙ
опытным путем с применением технических средств, имеющих
статочно разнообразна. Для определения этих величин использу-
ются различные принципы и методы измерений. При этом под
принципом измерений подразумевается совокупность физических
явлений, лежащих в основе данного измерения; под методом из-
дится непосредственно из опытных данных. При косвенных изме-
рениях предварительно подвергаются прямым измерениям некото-
рые вспомогательные величины хг , х2.....хп , а значение иско-
, хп). Например, определение скорости потока газа
преобразователи, приборы, установки, системы и вспомогатель-
ные средства.
Меры — средства измерении, предназначенные для воспроиз
ведения физической величины заданного размера.
Измерительные преобразователи — устройства, предназначен-
ные для выработки сигнала измерительной информации, не поддаю-
чале измерительной цепи находится первичный преобразователь,
который непосредственно воспринимает воздействие измеряемой
величины. В большинстве первичных преобразователей измеряе-
мая величина преобразуется в электрический сигнал. Для усиления
сигнала (без изменения его размерности или формы) предназначе-
ны масштабные преобразователи (усилители), а для преобразова-
ли. В случае необходимости передачи информации
ные расстояния применяются передающие преобраз
Совокупность измерительных преобразователей, <
являются непрерывной функцией измеряемой величины, а в циф-
ровых показания представлены в цифровой форме. По способу вы-
И.{мерительные. установки характеризуются тем, что входя-
щие в них элементы сосредоточены в одном месте, а сигналы изме-
ной информации должны находиться в форме, удобной для авто-
ванных системах управления.
налах измерительной информации. Сигнал может характеризо-
чей жидкости) или несколькими (частота, фаза, амплитуда пере-
менного тока). Для чтобы сигнал содержал измерительную инфор-
мацию, необходимо, чтобы хотя бы один из его параметров был
функционально связан с измеряемой величиной. Этот параметр
сигнала называется информативным в отличие от остальных —
неинформативных — параметров.
Статической характеристикой средства измерения называ-
ла от информативного параметра входного сигнала при определен-
ных значениях неинформативных параметров. Различают номи-
нальную (типовую) статическую характеристику (называемую
также функцией преобразования) и рабочую, описывающую свой-
характеристика). Статические характеристики определяются
при неизменных по времени значениях входного сигнала и могут
выражаться формулой, графиком или таблицей.
Отношение изменения выходного сигнала Ы к вызвавшему его
ностъю средства измерения. Абсолютная чувствительность S = -
рений. В противном случае она будет изменяться и при каждом
Важной характеристикой измерительных приборов является
цифрового кода, равная соответствующему изменению измеряв-
мой величины.
между значениями измеряемой величины, соответствующими ко-
нечному и начальному значениям шкалы (значениям кода). Диа-
пазон измерений или рабочая часть шкалы — это область значе-
ний измеряемой величины, для которой погрешности измерений
не превышают допустимых. Диапазон измерений ограничен верх-
ним и нижним пределами измерений.
ств средства изме-
ормативного или ка-
изменяющихся по времени параметров входного сигнала.
Например, при изменении входного сигнала по гармоническо-
му закону авх = А^ sin (at выходной сигнал средства измерения
также будет изменяться по гармоническому закону авых =
= Авыхб1п (<«* + Ч>) •
Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) называется
ты = ftw) ; фазочастотной характеристикой. (ФЧХ) —
изменение угла сдвига фаз ср от значений со: <р = /(со) .
Простейшими нормируемыми показателями, характеризую-
щими инерционность средств измерений, являются полоса пропус-
каемых частот сигнала (диапазон изменения частоты, в пределах
которого не происходит изменений отношения Авых/Авх) и время
установления выходного сигнала (время выхода его на постоян-
ный уровень при скачкообразном изменении сигнала на входе).
Динамические характеристики рассчитываются или определя-
применения того или иного средства измерения в конкретных ус-
2.2. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ
В результате измерений значение измеряемой величины ни-
когда не может быть определено абсолютно точно. Всегда резуль-
тат измерения хцзм отличается от истинного значения измеряемой
величины х на некоторую величину Д , называемую погрешнее-
годов и средств измерений, влиянием условий измерений и непра-
причина той или иной погрешности далеко не всегда может быть
характеру проявления погрей
Грубые погрешности (промахи, выпадающие точки) появля-
отклонений в режиме работы экспериментальных объектов и т.д.
Эти погрешности необходимо обнаружить и искаженные ими ре-
Систематическне погрешности характеризуются тем, что они
или сохраняются постоянными, или изменяются по времени зако-
номерным образом, или являются функциями определенных пара-
метров (температуры, напряжения питания и т.д.).
групп в зависимости от вызывающих их причин.
Погрешности метода, или теоретические погрешности, обу-
точкой обоснованностью принимаемых при этом допущений, не-
правильным использованием средств измерений, влиянием их на
Инструментальные погрешности возникают из-за недостат-
ков конструкции (схемы) средств измерений или технологии их
ний) вызываются отличием рабочих условий эксплуатации
влияние температуры или внешних магнитных и других полей;
нестабильность источника питания и т.д.).
свойствами измерений.
Личные погрешности связаны с индивидуальными особеннос-
ключаются при применении автоматизированных средств измере-
ний с фиксацией результатов измерений на различных носителях
грешности можно практически полностью исключить или по
условий работы при измерениях (термостатирование, экранирова-
ние, защита от вибрации, применение стабилизированных источ-
организации измерений и их обработки.
Результат измерения, содержащг
ность 0, называется неисправленным ;
матическую погреш-
матической погрешности и обратна ей по знаку: <7 = - 6-
специальных исследований
Случайные погрешности вызываются неконтролируемыми из-
менениями условий измерений и параметров средств измерений.
Если в опытах отсутствует систематическая погрешность, то дан-
ные большого числа отдельных измерений (наблюдений) будут
случайным образом изменяться в некотором интервале около ис-
тинного значения измеряемой величины. Поскольку поправки на
систематические погрешности определяются с ограниченной точ-
Таким образом, суммарная случайная погрешность состоит из
собственно случайной погрешности и неисключенного остатка сис-
тематической погрешности.
чайную величину, 1
полно характеризуется интегральной F(x) или дифференциальной
р(х) функциями распределения. Последняя называется также
ния. Значение функции F(x) при некотором заданном значении х
тей есть производная функции F(x)t р(х) = F'(x). Обратная зависи-
Характерный вид графиков функций F(x) и р(х) представлен
на рис. 2.1. График функции р(х) называется также кривой рас-
пределения.
На практике удобнее пользоваться не функциями распределе-
статочные сведения о свойствах и распределении случайной вели-
чины. Наиболее важными из них являются математическое ожи-
дание М[х] и дисперсия с2 [х].
Математическое ожидание характеризует расположение цент-
ра распределения, вокруг которого группируются возможные зна-
чения случайной величины. Оно определяется интегралом
Дисперсия с2 [х] характеризует рассеяние случайной величи-
ны вокруг ее математического ожидания/ Дисперсией называется
математическое ожидание (т.е. среднее значение) квадрата откло-
Корень квадратный из дисперсии — величина о(х) — имеет ту
же размерность, что и сама случайная величина, и называется
средним квадратическим отклонением случайной величины.
Конкретные значения указанных характеристик случайных
величин зависят от вида функции распределения.
В теории вероятностей, математической статистике, метроло-
гии важную роль играет так называемое нормальное, или Гауссо-
во, распределение случайных величин. Плотность вероятностей
В теории вероятностей доказано (центральная предельная тео-
рема), что если некоторая случайная величина является суммой
большого числа других взаимно независимых случайных величин,
ни одна из которых не обладает дисперсией, значительно превос-
ходящей остальные, то независимо от законов распределения сла-
гаемых суммарная величина имеет нормальное распределение.
Если ввести переменную г = Х , то получится нормирован-
ное нормальное распределение с математическим ожиданием, рав-
ным нулю, и дисперсией, равной единице:
Это универсальное, не зависящее от а и о(х) распределение.
Наряду с функцией <p(z) в вычислениях применяется также интег-
ральная функция Ф(л) = J <p(z) dz. Эти функции затабулированы :
виде таблиц (см. приложение 1) или в виде стандартных программ
для ЭВМ.
Функция <p(z) является четной, симметричной относительно
' = О и J <p(z) dz = 1. В силу этого Ф(- г) = - Ф(г); lira Ф(г) =
= % . Между функциями распределения р(х), F(x) и затабулирован-
ными (стандартными) функциями <p(z) и Ф(г) существует простая
Государственным стандартом предписывается ряд способов вы-
применяется интервальный способ, т.е. точность измерений выража-
вероятностью у (доверительная вероятность) находится суммарная
мер, 450 К; Д от 2К до 4К; у= 0,95.
Доверительным является интервал (хг = А - Ди ; х2 = Л- Д^,
т.е. (448 К; 454 К).
Для нормального распределения значение доверительной веро-
ятности в общем случае находится по формуле у = Р(г1 < г <,g^ =
- <Ыг2) - Ф(г1). Если |г11 = |г2 | = |г |, то у = Р(|г | < гу) = 2ф(гу) .
ниями для данной вероятности у. На рис. 2.2 приведены значения
У в зависимости от (кривая п = ©>). Так, при z =± 1 значение
Т= 0,68, т.е. вероятность погрешностей, не превышающих по абсо-
ставляет 0,68. При гу = ± 2 величина у равна уже 0,95, а при
ных погрешностей выходит за пределы трех средних квадратичес-
ких погрешностей. Доверительная граница случайной погрешнос-
Доверительная вероятность задается в соответствии со смыс-
лом задачи и практическим значением риска ошибки, которая не-
нормированных критических
для нормального распределения
избежно появляется, когда весь принципиально возможный диа-
пазон изменения случайной величины ограничивается некоторы-
ми, заведомо более узкими, доверительными пределами.
В большинстве практических задач принято ограничиваться
значением у= 0,95, т.е. считается допустимым, что 5 % результа-
тов наблюдений (одна точка из двадцати) могут выйти за установ-
ленные пределы.
с определением основных характеристик двигателя, с его надеж-
ностью, прочностью, безотказностью, где ошибочная трактовка ре-
выбирать более высокую доверительную вероятность.
Если погрешность Д выражена в единицах измеряемой вели-
чины, то она называется абсолютной. На практике чаще оперируют
с относительной погрешностью измерений, которая представляет
собой отношение абсолютной погрешности к результату измерения
6 = Д/хизм . Значение 6 часто выражается в процентах.
Для характеристики точности средств измерения применяется
приведенная погрешность — отношение абсолютной погрешности
к некоторому нормирующему значению xN , характерному для
мается равным большему из пределов измерений, если нулевая от-
метка расположена на краю или вне диапазона измерений, и
сумме модулей пределов измерений, если нулевая отметка распо-
являющейся обобщенной характеристикой средства измерений,
определяемой пределами допускаемых основной и дополнитель-
ных погрешностей, а также другими свойствами средств измере-
ний, влияющих на точность.
ной погрешности по формуле уд = Дд - 100/хд
I ти и выбираемое из следующего ряда: 1 10" ; 1,5 • 10" ; 2 -10" ;
2,5 10" ; 4 10" ; 5 10" ;6 10” (л = 1; 0; -1; -2 и т.д.). По классу
С классом точности связаны также пределы дополнительных
погрешностей и другие характеристики средств измерений, влия-
I ющие на точность измерений. Эти характеристики нормируются
частными стандартами на отдельные виды средств измерений.
свойства средств измерений, нормируются наиболее часто полоса
2.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОЦЕНОК СЛУЧАЙНЫХ
ПОГРЕШНОСТЕЙ
В основе практического определения характеристик случай-
ных погрешностей измерений лежит проведение повторных на-
блюдений измеряемой величины. В случае градуировки средств
измерений значение измеряемой величины заведомо известно (на-
пример, оно воспроизводится образцовой мерой) и полученные
вания эксперг
товления и сборки, если используются различные экземпляры
тей будут в целом отражать точность воспроизведения результатов
|эксперимента с принятой системой измерений в данных конкрет-
ных условиях.
Результаты повторных наблюдений служат также основой для
выяснения многих других вопросов, возникающих при проведе-
мероприятий при доводке, сравнение по точности различных
Характеристики случайных величин могут быть строго опре-
делены только тогда, когда известна генеральная совокупность
ной величины. Однако на практике имеется лишь некоторое ко-
нечное, обычно небольшое, число п результатов наблюдения
оценивания параметров генеральной совокупности (в первую оче-
редь, математического ожидания и дисперсии) случайных вели-
чин по выборочным данным. Оценка называется точечной, если
она выражается одним числом.
Для того чтобы оценка была пригодной для описания оценива-
несмещенности — ее математическое ожидание должно быть
равно оцениваемому параметру;
эффективности — ее дисперсия должна быть минимальной по
сравнению с другими оценками;
Можно доказать, что с учетом перечисленных требований наи-
лучшей выборочной оценкой математического ожидания является
выборочное среднее значение
Е*..
i оценкой дисперсии — исправленная выборочная дисперсия
Применив правила вычисления дисперсии суммы случайных
величин и произведения случайной величины на постоянный мно-
житель, получим S2(x) - S2(x)/n, т.е. дисперсия выборочной сред-
ней х в п раз меньше дисперсии отдельного наблюдения. Соответ-
ственно, среднее квадратическое отклонение 8(х) уменьшается в
Таким образом, увеличение объема выборки а р Й >
повышению точности измерений. Поэтому при проведении по-
вторных наблюдений за результат измерения принимается 8на-
Для определения по заданной доверительной вероятности до-
верительного интервала для результата измерения х необходимо
образовать нормированную случайную величину :
= & П . Если известна дисперсия генеральной совокупности
(S(x) = о[х)), то t = г и доверительный интервал может быть най-
ден с использованием стандартной функции Ф{г) для нормирован-
ного нормального распределения (см. разд. 2.2). Если же значение
мальному распределению, а так называемому распределению
Стьюдента. В отличие от нормального распределения оно зависит
от объема выборки л или, точнее, от числа степеней свободы
генеральную дисперсию, распределение Стьюдента приближается
к нормальному.
Для распределения Стьюдента составлены таблицы (см. при-
боды f = п - 1, а также доверительную границу случайной погреш-
ности Д(х) = | х - а | = tyf S(x) = tY> f S(x)/^n .
На рис. 2.2 приведены кривые зависимостей у= соответ-
чайной погрешности Д(х) = | х - а | = о(х) = ст(х)/а/п = 1,96 2/>/Т = 2
Таким образом, во втором случае доверительный интервал шире, чем
по малому числу измерений.
тов повторных наблюдений необходимо исключить результаты,
искаженные грубыми погрешностями. В первую очередь долж-
ны быть проверены те результаты наблюдений xfe , которые наи-
8(х)
1 - у (см. приложение 3). Если v :
то данный результат
При косвенных измерениях также возникает задача оценива-
ния истинного значения измеряемой величины у и ее погрешнос-
тей. Пусть величина у связана с параметрами xf , измеряемыми
прямыми методами, уравнением у = F(x1 , х2 , .... хп). Доказано,
что в случае выполнения повторных наблюдений для получения
наилучшей оценки истинного значения величины у (т.е. для
того, чтобы величина у обладала наименьшей дисперсией) в ис-
ходное уравнение должны быть подставлены средние арифмети-
ческие значения параметров хх , х2....хд .
ствует взаимосвязь между ними (это в большинстве случаев имеет
место на практике), то формула для определения средней квадра-
тической погрешности будет иметь вид
няется неравенство Е?, < 0,3£(у). Это неравенство называется при
терием ничтожности погрешностей, а отвечающие ему погреш-
гсь т. — число повторных наблюдений величин х( .
В практических расчетах чаще применяются относительные
тичины погрешностей S(xf) = S(xi}/xi ; S(y) = S(y)/y . Чтобы
к ним, необходимо обе части выражения (2.1) разделить
s®» N i ВД = N X
Величины Kx v представляют собой относительные коэффи-
циенты влияния погрешности S(xt) на S(t/) .
Если функция у = Г(хг , х2 ,.... х„) логарифмируема, то для
удобства вычислений величины Кх , целесообразно представить
в виде Кх у= х{ d(ln F)/dxt .
чим S(D) = Йд/л/З = 0,23 %.
In G = In (л -^2 /4) + 21n D + In p + 0,5 In p + 0,5 In &p .
гично найдем
. S, ; = 0,5% ; ED - 2 - 0,23 = 0,46% ;
S(G) = VO,25 + 0,34 + 0.02 + 0,01
'0.№2S-2-°-
^>=±«(<*0,95.25 =
= ± 1.4% при у =0.95.
2.4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ
пых задач является получение максимального объема информа-
для принятия оптимальных решений зачастую в процессе экспе-
римента. Эта задача решается путем применения автоматизиро-
шинстве случаев они строятся на базе персональных компьютеров
оператор-исполнитель — ЭВМ.
иация при
сируется на различных носителях инфор
Впоследствии может также проводиться метрологический ана-
В состав АИИС входит комплекс первичных измерительных
преобразователей (ПИП) различных типов, устанавливаемых на
во связи с объектом (УСО), персональный компьютер и средства
отображения и хранения информации. Программируемые УСО
ные) в цифровой код. соответствующий содержанию сигнала.
ного канала — фукционально объединенной совокупности техни-
передается в персональный компьютер, и по заранее известным за-
висимостям (программам) определяется количественное значение
измеряемой физической величины. Очередность опроса первич-
ных преобразователей программируется в коммутаторах многока-
нальных измерительных модулей. Для обеспечения высокой точ-
ности измерений необходимо применение индивидуальной метро-
логической характеристики для каждого измерительного канала
— от ПИП до ПК.
Метрологическая характеристика, как комплексная количест-
венная оценка точности измерений, обеспечиваемой ИК, опреде-
между математическим ожиданием результатов измерений извест-
ных (“истинных”) величин и самими этими величинами, принима-
емыми за “меру”, и величиной доверительного интервала ± б, в ко-
тором с заданной доверительной вероятностью у находится резуль-
тат измерения. При количестве измерений п каждой величины
“меры” более 20 (п > 20) закон распределения результатов измере-
ний может приниматься нормальным.
Градуировка состоит из ряда циклов последовательных изме-
обратном направлениях [7]. При количестве циклов не менее 10 (ко-
личестве измерений п каждого значения “меры” не менее 20)
может быть принят нормальный закон распределения. Градуиро-
вочная характеристика представляется в форме аппроксимирую-
где у — аппроксимированное значение измеряемого параметра вы-
ходного сигнала, определяемое по его среднеарифметическим зна-
Значения коэффициентов а0 , «j находятся по методу на-
именьших квадратов (см. ниже).
При допускаемой относительной погрешности измерения, рав-
ной 0,3%, для построения аппроксимирующего полинома градуи-
При этом погрешность значений “меры” не должна превышать 0,1
погрешности ИК. Для доверительной вероятности у = 0,95 при ко-
личестве измерений п > 20 величина доверительного интервала
8у = ± 1,96 Sw , где Sy — среднеквадратическая погрешность, опре-
деленная по результатам всех измерений, выполненных при гра-
Относительная погрешность определения величины измеряе-
мого параметра у определяется для минимального значения
“меры”, которому соответствует значение f/niin :
8 S
8 = ±-=-«- = ±1,96-=-и-.
^luiii 4и1»
При измерениях функции параметров градуировочной харак-
ходного сигнала измерительного канала; х — численное значение
измеряемой величины; х = {у - .
ряться непрерывно с определенной частотой, чтобы обеспечить по-
стоянное поступление информации о состоянии двигателя так,
как это необходимо для его автоматической защиты. Конкретная
ется величиной временного интервала (продолжительностью
цикла “опроса” ПИП) и количеством измерений в пределах интер-
вала. Характерным является односекундный интервал, в течение
которого аналоговые сигналы измеряются десять раз, а частот-
ные — один раз [7].
Измерение параметров двигателя, предназначенное для опре-
деления его характеристик, проводится по специальному алгоритму
^контрольное измерение) на более продолжительном временном ин-
дненный результат из определенного количества последователь-
। реализованных интервалов — основных циклов.
обходимо, чтобы в процессе измерений сохранялось постоянство
значения температуры газа за турбиной в течение некоторого про-
межутка времени (~ 60 с) не превышает допустимой погрешности
2.5. ВИДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ,
ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ ДВИГАТЕЛЕЙ
При испытаниях ВРД необходимо измерять большое количе-
ство величин, имеющих различную физическую природу. Это
параметры потоков (давление, температура, скорость); расходы
жидкостей и газов; усилия и крутящие моменты; деформации и
объекты и условия проведения исследований также весьма разнооб-
разны. Естественно, что при этом применяются различные средства
измерений и требования, предъявляемые к ним, такие как необхо-
будут иметь различное значение при выборе средств для конкрет-
ных измерений в зависимости от задач и условий эксперимента.
термобарокамерах наряду с достаточной точностью необходимо
ных испытаниях существенной становится роль габаритных раз-
элементами большинства применяемых средств измерений явля-
торых — преобразование измеряемой физической величины (вход-
ная величина) в сигнал измерительной информации (выходная ве-
личина), как правило, электрический, удобный для дальнейшей
обработки.
Первичные преобразователи подразделяются на параметричес-
ходная величина представляет собой изменение какого-либо пара-
метра электрической цепи (сопротивление, индуктивность, ем-
кость и т.д.), в генераторных выходные величины — ЭДС, элект-
рический ток или заряд, возникающие вследствие энергии изме-
ряемой величины.
у которых входными величинами являются давление, сила или
величина воздействует на упругий элемент и вызывает его дефор-
мацию, которая затем преобразуется или в сигнал, воспринимае-
мый наблюдателями (механические показывающие приборы), или
В значительной степени инерционные свойства преобразователя
определяются частотой собственных колебаний упругого элемента:
чем она выше, тем менее инерционным является преобразователь.
онных сплавов составляет 50... 100 кГц. Для изготовления упругих
ческие материалы (кварц, сапфир, кремний).
разователи, выходном величиной которых является изменение
электрического сопротивления, которое может вызываться воз-
остат, движок которого перемещается под воздействием измеряе-
мой величины (входная величина). Выходной величиной является
вых), в уровнемерах, в датчк
(например, давления) для изме-
выходной сигнал, стабильность метрологических характеристик,
высокая точность, незначительная температурная погрешность.
сятков герц).
Работа тензорезисторов основана на изменении сопротивления
представляет собой зигзагообразно изогнутую тонкую проволоку
диаметром 0,02...0,05 мм или ленту из фольги толщиной 4... 12 мкм
(решетка), которая наклеивается на подложку из электроизоляци-
онного материала. К концам решетки присоединяются выводные
медные проводники. Преобразователи, будучи приклеенными к
детали, воспринимают деформацию ее поверхностного слоя.
При измерениях деформаций и напряжений в деталях и кон-
струкциях, как правило, отсутствует возможность градуировки из-
В случае применения тензорезисторов в первичных измерительных
путем градуировки. Основной недостаток тензорезисторов данно-
го типа — малый выходной сигнал.
Для измерений малых деформаций упругих чувствительных
элементов измерительных преобразователей используются полу-
проводниковые тензорезисторы, выращенные непосредственно на
При измерениях динамических деформаций с частотой до 5 кГц
должны применяться проволочные или фольговые тензорезисто-
них не должна превышать 0,1 % (0,02 % для полупроводнике-
возникновении электрических зарядов при деформации кристалла
(прямой пьезоэффект).
ность измерения быстропеременных величин (собственная частота
преобразователей достигает 200 кГц), отличаются высокой надеж-
ностью и имеют малые габаритные размеры и массу. Основной не-
электричества с поверхности кристалла.
ницаемостью е.
Обычно эти преобразователи устроены таким образом, что их
выходной величиной является изменение емкости (в этом случае
они называются емкостными), а входными величинами могут
быть механические перемещения, изменяющие зазор 8 или пло-
щадь F, или изменение диэлектрической проницаемости среды £
вследствие изменения ее температуры, химического состава и т.п.
Кроме емкости, в качестве выходной величины электростати-
взаимном перемещении электродов, находящихся в электричес-
ким поле (генераторный режим). Например, в генераторном режи-
ме работают конденсаторные микрофоны, преобразующие энергию
акустических колебаний в электрическую.
Достоинством электростатических преобразователей является
отсутствие шумов и самонагрева. Однако с целью защиты от наво-
док соединительные линии и сами преобразователи должны тща-
тельно экранироваться.
У индуктивных преобразователей выходной величиной явля-
ется изменение индуктивности, а входными величинами могут
быть перемещения отдельных частей преобразователя, приводя-
щие к изменению сопротивления магнитной цепи, взаимоиндук-
ции между контурами и т.д.
Достоинствами преобразователей являются: линейность ха-
воздействий, ударов и вибраций, высокая чувствительность. Недо-
пряжении повышенной частоты.
Принцип действия вибрационно-частотных преобразователей
основан на изменении частоты собственных колебаний струны или
усилие (или величины, преобразуемые в усилие, — давление, кру-
тящий момент и др.), которое воспринимается упругим элемен-
том, связанным с перемычкой.
Применение вибрационно-частотных преобразователей воз-
можно при измерении постоянных или медленно изменяющихся
во времени величин (частота не более 100...150 Гц). Они отлича-
ются высокой точностью, а частотный сигнал — повышенной по-
мехоусто йч и востью.
В оптоэлектрических преобразователях используются законо-
мерности распространения и взаимодействия с веществом электро-
магнитных волн оптического диапазона.
Основным элементом преобразователей являются приемники
гии излучения :
:а них энер-
различные
ление фотоэффекта. Фотоэлектрические преобразователи являют-
ся селективными, т.е. они обладают высокой чувствительностью в
сравнительно узком диапазоне длин волн. Например, внешний фо-
тоэффект (испускание электронов под действием света) использу-
ется в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах и фотоумно-
жителях.
Вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянный бал-
вительного материала, образующий катод. Анод выполняется в
вцде кольца или сетки из металлической проволоки. При освеще-
нии катода возникает ток фотоэмиссии. Выходные токи этих эле-
ментов не превышают нескольких микроампер. В газонаполнен-
ных фотоэлементах (для заполнения применяются инертные газы
В фотоумножителях усиление первичного фототока происхо-
дит вследствие вторичной электронной эмиссии — “выбивания”
электронов из вторичных катодов (эмиттеров), установленных
элементы могут использоваться при измерениях быстро изменяю-
щихся величин, так как явление фотоэмиссии практически безы-
нерционно.
Измерение давлений. Для измерения полного или статическо-
тыми преобразователями или измерительными приборами.
Простейшим приемником полного давления является цилинд-
рическая трубка с перпендикулярно срезанным торцом, изогнутая
под прямым углом и ориентированная навстречу потоку. Для
уменьшения чувствительности приемника к направлению пото-
ка (например, при измерениях в потоках с небольшой закруткой)
применяются специальные конструкции приемников. Например,
приемники полного давле-
ния с протоком (рис. 2.3)
характеризуются погреш-
ностью измерения не более
1% при углах скоса до 46’,
при числе М < 0,8.
При измерении стати-
нок каналов приемные от-
t диаметром 0,5...1 мм
неровностей, а кромки от-
। трубах и каналах, в
камерах сгорания, диффузорах и соплах.
Для измерений статических давлений в потоке применяются
каналов получили распространение гребенки полного и стати-
эго давлений, содержащие несколько приемников, нии комби-
ванные гребенки, имеющие приемник как полного, так и стати-
[ течения (камеры сгорания, межлопаточные каналы турбома-
направление вектора скорости. Первые из них
несколькими (пять—
узел (рис. 2.5). При обтекании приемника потоком вокруг него
формируется определенное распределение давлений. Используя
измеренные с помощью приемных отверстий значения давлений и
результаты предварительной градуировки приемника в аэродина-
мической трубе, можно определить полное и статическое давление
и местное направление скорости потока.
р* = р/л(М).
При испытаниях двигателей и их элементов для измерения
давлений применяются различные приборы (стрелочные дефор-
мационные, жидкостные, групповые регистрирующие маномет-
пример, между измеряемым и атмосферным, между полным и ста-
тическим и т.д.), воздействует на упругий чувствительный эле-
мент (мембрану), деформация которого преобразуется в электри-
>лений и пьезокристалли-
— при измерении пере-
менных давлений.
В качестве примера на рис. 2.6 представлена схема преобразо-
вателя “Сапфир-22ДД”. Преобразователи этого типа выпускаются
в нескольких модификациях, предназначенных для измерения
го давления, избыточного давления и вакуума
ряемая разность давлений воздействует на блок, состоящий из
двух диафрагм 5. При смещении их центра усилие с помощью
тяги 4 передается на рычаг 3, что приводит к деформации мембра-
ны 2 с тензорезисторами. Электрический сигнал от тензорезисто-
ров поступает в электронный блок 4, где преобразуется в унифи-
ри измерениях переменных (например, пульсирующих) дав-
целесообразно максимальное приближение первичного пре-
разователи давления крепятся заподлицо с поверхностью, обтекае-
мой потоком (стенкой канала, лопаткой компрессора и т.д.). Из-
мбраны б мм. Используются также системы с приемниками
i давления), в которых для улучшения динамических характе-
:тик используются корректирующие акустические и электри-
При большом числе точек измерения в измерительных систе-
мах могут применяться специальные быстродействующие пнев-
ние к одному преобразователю нескольких десятков точек изме-
Измерение температур. Для измерения температур приме-
отся разнообразные средства измерении. Термоэлектрический
личных материалов, соединенные (сваренные или спаянные)
между собой концами (спаи). Если температуры спаев будут раз-
личны, то в цепи потечет ток под действием термо-ЭДС, значение
(для этого применяется тающий лед). Тогда ЭДС термопары будет В термоэлектрический контур можно включить разнородные проводники. При этом результирующая ЭДС не изменится, если J диться при одинаковой температуре. г\ / \ 4—, На этом свойстве основано примене-
f 1 / Д. Ние так называемых удлинительных / проводов (рис. 2.7), которые присо- I ||1| ниченной длины, и таким образом Цдостигается экономия дорогостоящих обеспечить равенство температур в
1 ° местах присоединения удлинитель- || ( ных проводов (Те) и термоэлектри- |у ческую идентичность их основной 1—J Тг термопаре в диапазоне возможного Рис. 2.7. Схема изменения температур Тс и То (обыч- термоэлектричеекого но не более 0...200 С). При практи- термометра (термопары): использовании термопар воз- 1 — термоэлектроды; r г 2 - удлинительные можны случаи, когда температура провода; 7® отлична от 0 С. Тогда для учета 3 — соединительные этого обстоятельства ЭДС термопары Е = Еиам + ДЕ(Т0) и по градуировоч- ной зависимости найти значение температуры. Здесь Еизм — изме- ренное значение ЭДС; ДЕ(Т0) — значение ЭДС, соответствующее величине То и определенное по градуировочной зависимости. Гра- туре “холодных” спаев равной 0“С. Эти зависимости несколько отличаются от линейных. В качестве примера на рис. 2.8 при-
— платина. Некоторые характеристики наиболее распространен- ных термопар даны в табл. 2.1. На практике наиболее распространены термопары с диаметром электродов 0,2...0,5 мм. Электроизоляция электродов достигается
рошком MgO или А12о3 . Наружный
термопары должны заделываться
таким образом, чтобы горячий спай и
чтобы условия теплоотдачи от термометрируемой поверхности не
ности измерений вследствие оттока (или притока) тепла от горя-
чего спая по термоелектродам за счет теплопроводности термоэ-
лектроды на некотором расстоянии вблизи спа-я (7... 10 мм)
Предел при кратковре- менной работе. мВ/К
Хромель — копель (ХК) -50...+600 800 0,089
Хромель — алюмель К (ХА) -200...+1100 1300 0,041
Платинородий (10 %) — платина S (ПП) 0...+1200 1600 0,0112
Платинородий (30 %) — платинородий (6 %), В (ПР) +300...+1600 1800 0,0101
t выполнена канавка глубиной 0,7 мм, в кото-
t толщиной 0,2...0,3 мм.
Вывод термоэлектродов из внутренних полостей двигателя
или его узлов осуществляется через штуцеры. При этом необходи-
мо следить за тем, чтобы термоэлектроды не слишком сильно на-
рушали структуру течения и не повреждалась их изоляция из-за
трения друг о друга и об острые кромки конструкции.
При измерении температур вращающихся элементов показания
термопар выводятся с помощью щеточных или ртутных токосъемни-
ков. Разрабатываются также бесконтактные токосъемники.
Схемы термопар, применяемых для измерения температуры
потока газа, приведены на рис. 2.10.'Горячий спай 1 представляет
собой сферу диаметром dQ (термоэлектроды могут также свари-
ваться встык); термоэлектроды 2 вблизи спая закрепляются в изо-
лирующей двухканальной керамической трубке 3, а затем выво-
дятся из корпуса 4. На рисунке корпус 4 показан водоохлаждае-
мым (охлаждение необходимо при измерениях температур, превы-
ператур во всем поперечном сечении.
Действие термометра сопротивления основано на изменении
сопротивления проводника при изменении температуры. В качест-
ве электросопротивления применяется проволока диаметром
0,05...0,1 мм, выполненная из меди (t = -5О...+15О"С), никеля
(t = -50...200 С) или платины (t = -200...500Г).
Проволока наматывается на каркас и помещается в чехол.
пригодны для измерения локальных температур. Применяются
для измерений температуры воздуха на входе в двигатель, темне-
ются ртуть (t = -80...+700“С), спирт (t = -100...+75’С) и др. Жид-
костные термометры используются при измерениях температуры
Оптические методы измерения температуры основаны на зако-
в пределах некоторого участка спектра излучения; радиационные,
основанные на зависимости от температуры общего количества
излучаемой телом энергии.
полненное из сапфира, предохраняет линзу от загрязнения и пере-
гревн. Сигнал по световоду 3 передается к фотодетектору. Благода-
ря малой инерционности пирометр позволяет контролировать тем-
пературу каждой лопатки.
подвод обдувочного воздуха; 2 — первичный преобразователь)
Для измерения температур конструктивных элементов двига-
теля могут применяться цветовые индикаторы температуры (тер-
мокраски или термолаки) — сложные вещества, которые при до-
резко изменяют свой цвет из-за химического взаимодействия ком-
понентов или происходящих :
на твердую
t = 66О°С становится бесцветной.
ме была достигнута максимальная температура. Кроме того, ок-
раска термоиндикатора зависит от времени воздействия темпера-
других методов измерений (например, с помощью термопар), но
позволяют получить дополнительную информацию о тепловом со-
стоянии исследуемого объекта.
ти. Для измерения быстро изменяющихся во времени скоростей и
термоанемометры с нагретой нитью (рис. 2.12).
Нить термоанемометра представляет собой тепловой преобра-
зователь, ее температура определяется соотношением между коли-
кого тока и отводящейся газом
вследствие конвективной теплоот-
дачи. При изменении температуры
нити будет изменяться ее электри-
ческое сопротивление, являющееся
ти потока, то при постоянной силе
тока температура нити будет функ-
температуре нити такой функцией
(или напряжения).
Нить выполняется из проволо-
2... 10 мм. При измерениях ее температура составляет 200...600 С.
мометра в соответствии с
основном составляющие
|ти, то, устанавливая в потоке нить под разными углами или при-
меняя первичные преобразователи с несколькими нитями, можно
Р использованием электронной аппаратуры измерять средние
квадратические значения пульсаций скорости по координатам, ос-
транственные и временные корреляции и др. Измерения до-
зчно надежны, если среднее квадратическое значение пульса-
ций скорости не превышает 0,3 от средней скорости. Однако и в
этом случае необходимо применение линеаризаторов для компен-
сации нелинейности градуировочной характеристики нити.
Для измерения скоростей и характеристик турбулентности по-
токов применяются также оптические методы, базирующиеся на
(рис. 2.13) проходит через поток, в который специально
I частицы диаметром 1...2 мкм, способные рассеивать свет
воспринимается фотоприемником 2, расположенным под неко-
торым углом к исходному лучу. В соответствии с эффектом До-
порциональную проекции вектора скорости рассеивающей части-
цы с на вектор Кс , равный разности волновых векторов1 рассеян-
ной Кр и падающей с Кп волн: v = v0 (1 ± cos tpc/C0j, где Co — ско-
рость света. Так как сдвиг частот чрезвычайно мал, то для его из-
мерения рассеянный свет “смешивается” с опорным лучом, кото-
зрачном зеркале 3. Системой зеркал и линз опорный луч направля-
Рис. 2.13. Схемы ЛДИС:
а — с опорным пучком; б — дифференциальная:
мерений направляются два лазерных пучка, полученных путем
при “смешении*’ интерференционную картину с периодическим
пространственным распределением интенсивности освещения (из-
мерительный объем около 1 мм3). Излучение, рассеянное части-
цей, движущейся в этом поле, также будет иметь переменную ин-
ия, как правило, используются газовые ла-
позволяют измерять
компоненту скорости в некотором строго выделенном направле-
нии. Измерения возможны в потоках с очень высоким уровнем
турбулентности в широком диапазоне изменения скоростей. Нет
принципиальных ограничений для использования данного метода
при одновременном измерении всех трех компонент скорости.
ходов газа применяются главным образом косвенные методы, ба-
зирующиеся на закономерностях газовой динамики. В тех случа-
ях, когда воздух поступает из окружающего пространства (на-
пример, при испытаниях двигателей или компрессоров), его
расход определяется, как правило, с помощью мерных насад-
ков, устанавливаемых на входе в экспериментальный объект.
Входная часть насадка профилируется по лемнискате Бернулли,
что обеспечивает равномерное поле скоростей в рабочей части
(мерном сечении) насадка. Измеряются значения полного давле-
ния р и температуры Т" воздуха в окружающей среде и статичес-
С. = “«р>*.х^хР' -
Здесь ткр — константа; цвх — коэффициент расхода; FBX —
площадь мерного сечения насадка; приведенная плотность тока
При неравномерном распределении параметров потока в по-
перечном сечений канала расход газа может быть рассчитан по ос-
редненным по площади значениям полного рср и статического рср
на местном сужении канала. Стандартизова-
ла и трубы Вентури
ным с помощью гребенок термопар и давлений полям этих пара-
— Р*» Pt • Tt (например, р*р = £ pf HtF/F, где F — площадь
Наиболее простую конструкцию имеют диафрагмы, однако
они уступают соплам и трубам Вентури по точности и характери-
зуются повышенными потерями полного давления. Получили рас-
щие собой набор параллельно работающих сопл, устанавливаемых
основном работают при сверхкритических
кая точность измерений (+0,5... 0,7 %). Сопловые решетки при-
меняются в широком диапазоне расходов (при малых расходах
градуировки) применяются объем-
ные и массовые расходомеры, дей-
массы жидкости.
Широко распространены тур-
часть сопл заглушается), мало чувствительны к неравномерности
поля скоростей в потоке, не требуют много места для размещения.
Для измерения расходов жид-
том — винтовой гидрометрической
костыю. Частота вращения турбинки посредством магнитоиндук-
ционного генератора I преобразуется в электрический сигнал
Расходомеры выпускаются нескольких типов для различных
расходов и условий применения. Так, расходомер ТДР-10 имеет
диапазон измерений 0,12...0,6 л/с, частота выходного сигнала на
верхнем пределе измерения 500 + 50 Гп. Турбинные расходомеры
ность ± 0,5%) и малоинерционны.
еритель-
способа уравновешивания измеряемого усили
ные устройства подразделяются на ряд групп.
В механических силоизмерительных устройствах с рычажным
редуктором измеряемое усилие уравновешивается с помощью ме-
Распространены силоизмерительные устройства с упругим
индуктивных, струнных и других первичных преобразователей.
сплошных стержней (усилия свыше 10 кН), полых тонкостенных
стержней и колец (1...10 кН), различного типа пружин.
Например, в практике испытаний находят применение вибра-
ционно-частотные преобразователи силы, предназначенные для
измерения статических и медленно изменяющихся усилий сжа-
тия. Преобразователи выпускаются нескольких типоразмеров,
различающихся верхними пределами измеряемых усилий Р (от 1
до 1000 кН).
Упругие элементы преобразователей на нагрузки свыше 10 кН
выполнены в виде бруска 5 (рис. 2.17), внутри которого образова-
на виброперемычка 3. При приложении нагрузки брусок деформи-
руется, в виброперемычке возникают растягивающие напряже-
олебаний, другой — адаптером, преобразующим механические
элебания виброперемычки в электрические. Упругий элемент
эмещен в корпус 2. Мембрана 1 предназначена для устранения
тияния внеосевых сил на упругий элемент преобразователя.
3 — рабочий цилиндр;
4 — дросселирующая игла
Необходимость измерения крутящих моментов возникает при
испытаниях компрессоров и турбин.
Измерения осуществляются или с помощью балансирных мо-
ментоизмерительных систем, или с помощью торсионных момен-
В первом сл
плече для уравн
сложенная на известном
। крутящего момента, ко-
i элементов системы (турбину, мульти-
гормоз, электродвигатель). Указанный
элемент при этом должен быть установлен таким образом (подве-
шен, на подшипниках), чтобы обеспечивалась возможность его
мента (балансирный подвес).
тель и указатель. Первичный преобразователь представляет собой
миниатюрный генератор трехфазного тока 5 (рис. 2.20), который
приводит во вращение якорь 4 электродвигателя указателя. Вмес-
те с якорем вращается узел постоянных магнитов 3, из-за чего в
ным полем узла 3 создается крутящий момент, пропорциональный
частоте вращения, который преодолевает противодействующий
момент спиральной пружины 1 и отклоняет стрелку указателя.
частотомером. Такого типа средства измерений частоты вращения
обеспечивают высокую точность — погрешность не более 0,5...0,2%.
На рис. 2.21 представлена схема первичного преобразователя
тахометра, в котором выходной сигнал — ЭДС индукции — возни-
кает в обмотке 1 при каждом прохождении индуктора 3 (“зуба”
Частота генерируемых импульсных сигналов ЭДС при этом пропор-
циональна частоте вращения.
Измерение вибраций. Уровень вибраций может характеризо-
ваться амплитудой,
частотой, а также
средними значениями
вибрационной скорое-
времени смещения
элемента поверхности
измерения вибраций обычно используются первичные преобразо-
ватели сейсмического типа (рис. 2.22). Их чувствительным эле-
ментом является небольшая инерционная масса 2, прикрепленная
ческие сигналы с помощью различных преобразователей (индукци-
энных, пьезоэлектрических, тензометрических и т.д.). Обычно диапа-
грешность измерений ± 10%.
Измерение радиальных зазоров в элементах турбомашин.
втся весьма акту-
уменыпения вы-
лх зазоров. Простейшими являются метод срабатываемых (сре-
лементом турбомашины). Эти методы позволяют измерить зазор
олько по самой длинной лопатке.
Действие емкостных, индуктивных и индукционных преобразова-
елей основано на изменении характеристик злектрической цепи при
шним условиям, таким, как температура и свойства газа, форма
гаток, индивидуальные особенности преобразователей.
От указанных недостатков свободны оптические преобразова-
щью световодов. Однако оптические системы громоздки и слож-
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Дайте определение принципу и методу измерений.
2. Чем различаются прямые и косвенные измерения?
3. Дайте характеристику основным средствам измерений.
4. Основные метрологические характеристики средств измере-
S. Как подразделяются погрешности измерений по характеру
проявления?
6. На какие группы можно подразделить систематические по-
7. Доверительный интервал и доверительная вероятность.
3. Как вычисляются оценки математического ожидания и дис-
персии измеряемой величины по результатам повторных наблюде-
ний?
9. Как рассчитывается погрешность косвенного измерения?
10. Чем различаются приемники полного и статического Дав-
11. Какие средства применяются для измерений температур?
12. Какие методические погрешности могут иметь место при
измерениях температур газовых потоков термопарами? Как их
уменьшить?
13. На каких принципах основаны газодинамические методы
измерения скоростей потока?
14. На каких физических явлениях базируется работа лазер-
15. Охарактеризуйте методы измерения расходов газов и жид-
16. Как можно измерять усилия и крутящие моменты?
17. Какие первичные преобразователи используются для изме-
рения вибраций?
18. На каких принципах основано действие резистивных, пье-
зокристаллических, емкостных, электромагнитных преобразова-
19. В чем состоят преимущества и недостатки частотных пре-
образователей?
20. Как работают фотоэлектрические преобразователи?
Глава 3. ПЛАНИРОВАНИЕ 1
3.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Планирование экспериментальных исследований с такими
ный двигатель и его элементы, не всегда целесообразно на уровне,
математическая теория планирования эксперимента (ТПЭ), осно-
направленных на получение информа-
него количества опытов, каждый из которых воспроизводит ис-
следуемое явление в определенных условиях проведения экспери-
рения подвержены случайным ошибкам и, следовательно, явля-
ются случайными величинами.
ляющих число и порядок реа-
На рис. 3.1 изображен
величины, называемые факторами. Более строго фактор
зультаты эксперимента.
Стрелки справа обозначают численные характеристики функци-
являются наблюдаемыми случайными пере-
положение РУД, температура и давление воздуха на входе, а от-
изучить!
планированию эксперимента необходимо
информацию об экспериментальном объек-
ваться, и определены пределы возможного изменения их значе-
ний (сформулированы гипотезы о факторах системы и области
их определения).
Независимо от того, что представляют собой факторы как фи-
зические величины, они должны удовлетворять определенным
фактора. 2) Факторы должны быть независимыми, т. е. каяодый
фактор не должен быть функцией других факторов. 3) Точность и
надежность измерения факторов должны быть возможно более вы-
возможную область определения факторов. Выбор ее зависит от
записи условий эксперимента и обработки его результатов
ральных значений факторов х£ в безразмерные х,- с помощью выра-
(3.1)
п)/2 — основной уровень фактора;
тэта исследования (или если
пользуются приемом, назыв;
подходом). Ранг — субъектив)
тата эксперимента по заранее
пятибалльной и т.д. Заданном}
соответствовать одно значение
В теории эксперимента рассматривается так называемый
опыту по определенным правилам одновременно изменяются все
но, что многофакторный
преимуществами по сравнению с традиционным однофакторным
экспериментом, в котором поочередно изменяется каждый фактор
при сохранении неизменными остальных. Многофакторный экспе-
римент по сравнению с однофакториым позволяет сократить количе-
Задачи планирования эксперимента можно подразделить на
два класса. В задачах первого класса целью является получение
экспериментальной (статистической) математической модели объ-
1 екта испытаний. Такие задачи называются задачами идентифика-
I ции. В них устанавливается соответствие ( идентичность) между
Целью эксперимента ;
ристики объекта. Это — задачи оптимизации. Безусловно, если
। получена достаточно точная математическая модель, то она также
Получаемые в результате планирования эксперимента матема-
тические модели называются моделями регрессионного анализа
I или регрессионными моделями, а также уравнениями регрессии.
математической статистики, объединяющий практические методы
исследования регрессионной зависимости величин по статистичес-
ким данным. Регрессия — зависимость среднего значения какой-
| личественных факторов и ошибок наблюдения отклика.
i выбрана произвольно. Наибольшее распространение получили
Число членов полинома зависит от числа факторов и выбран-
| ной степени. Например, если при двух факторах решено предста-
вить результаты эксперимента в виде полинома второй степени, то
I уравнение регрессии будет иметь вид
У~Ь0 + Ь1х1+Ь2х2+ b12 Х1 Х2 + Ь11Х1 + Ь22 *2 <3'2)
Уравнение включает свободный член Ьо . линейные члены
заранее, то роль эксперимента по существу сводится к получению
данных для вычисления неизвестных коэффициентов b{) . t»j , bif ,
1ЫЙ опыт), т. е. совокупность заданных значений факторов
вующее значение отклика у после подстановки, например, в
(3.2), дает одно линейное уравнение для определения неизвест-
ных коэффициентов . Чтобы определить N неизвестных коэф-
фициентов уравнения регрессии, необходимо осуществить не
менее N опытов, а затем составить и решить систему N линейных
В полиномах третьей степени число членов, а следовательно, и
число опытов для определения коэффициентов при них резко воз-
растает. Поэтому в планировании эксперимента полиномы степе-
нью более двух практически не используются из-за резкого увели-
Для определения коэффициентов регрессии используется
енты уравнения регрессии должны быть определены таким обра-
зом, чтобы сумма квадратов разностей значений отклика, опреде-
рессии (уи), была минимальной (и — индекс, обозначающий по-
рядковый номер опыта):
(3.3)
ния (3.2). Для сокращения записей и придания более общего
смысла получаемым результатам в ТПЭ принято при записи урав-
нений регрессии вводить так называемый условный фактор z£ сле-
дующим образом:
Тогда уравнение регрессии запишется в виде
У = Х bi-z.
(3.4)
В нашем примере п - 5-
Далее предположим, что проведено N опытов (N > 5) при раз-
шых значениях х, и х2 , в которых определено N значений от-
ров Xj и х2 , то это позволяет вычислить все значения условного
фактора ziu , входящие в уравнение и соответствующие данному
опыту. Результаты сведем в табл. 3.1. В этой таблице столбцы zx
нее — матрицу плана эксперимента).
Сумма (3.3) с учетом (3.4) запишется следующим образом:
(3.5)
В выражении (3.5) неизвестными являются коэффициенты , и
его можно рассматривать как функцию этих коэффициентов. Для
нахождения абсолютного минимума такой функции необходимо,
’чтобы все частные производные ее по коэффициентам Ь£ были
ь, г.«) =° : * = (3.6)
Выполнив дифференцирование и проведя алгебраические пре-
образования, получим
Е Е
= Е •
ния Cik и ctf. (3.8), получим систему линейных уравнений для вы-
числения коэффициентов регрессии :
-10 •
(3.9)
Чтобы полученная система уравнений имела решение, необхо-
димо, чтобы уравнения были линейно независимы, т. е. ни одно из
уравнений не должно получаться в результате алгебраических
действий с другими уравнениями. Это обстоятельство должно
учитываться при планировании эксперимента.
мозависимость. Это означает, что при попытке как-либо скоррек-
тировать значение хотя бы одного коэффициента (например, пре-
небречь им вследствие малости) необходимо заново определять
чае искажается информация о роли каждого фактора, что затруд-
няет анализ результатов эксперимента по полученному уравнению
Коэффициенты bt будут взаимно независимы, если в системе
будут равны О:
X 2„, -2ta=0 Г||,и‘
уравнения системы (3.9) сохранится только член, содержащий ко-
эффициент Си с повторяющимися индексами, и каждое уравнение
Отсюда могут быть определены все коэффициенты по формуле
Z у и
(3.10)
Полученные в этом случае коэффициенты будут взаимно неза-
висимы, так как каждый коэффициент выражается только через
результаты опытов уц . Расчет коэффициентов можно вести в
любом порядке, поскольку значения ранее найденных коэффици-
ентов не входят в правую часть выражения для вычисления следу-
ющего коэффициента. При корректировке значения какого-либо
коэффициента остальные сохранят неизменную величину.
Как будет показано ниже, во многих грамотно составленных
планах экспериментов реализуется условие ортогональности
столбцов матрицы плана и тем самым обеспечивается независи-
мость значений коэффициентов уравнения регрессии. Это обсто-
ятельство значительно увеличивает информативность получен-
ных данных г; 1Д. •• нту регр« и
физический смысл коэффициента влияния соответствующего фак-
стве случаев реализуется так называемый последовательный экс-
перимент. Этот эксперимент состоит из ряда последовательно вы-
полняемых серий опытов, причем условия проведения каждой
последующей серии определяются результатами предыдущих.
Под планированием эксперимента подразумевается составление
Этим достигается рациональное использование уже полученной
информации, что в итоге способствует экономии времени и
средств.
Результаты каждой серии опытов подвергаются статистичес-
кой обработке, конечной целью которой является проверка аде-
по выбранному критерию с учетом случайных погрешностей, свой-
ственных данному эксперименту.
Начальной операцией в статистическом анализе является оп-
ределение дисперсии воспроизводимости S^ocnp (или дисперсии от-
клика Sp) — величины, количественно характеризующей случай-
бросу результатов измерения отклика yui в одной и той же точке
Дисперсия, характеризующая степень рассеяния результатов
же сочетании уровней факторов — одной точки плана) около сред-
(3.11)
результат отдельного опыта; уи =
У, ут — среднее арифметическое повторных опытов;
использована для вычисления среднего (числом степеней свобо-
от друга).
в каждой строке матрицы имеется несколько результатов измере-
ний yui при тех же значениях х( , то дисперсия всего плана экспе-
римента получается в результате усреднения дисперсий в каждой
строке (точке) плана:
(3.12)
Этой формулой можно пользоваться, если число повторных
;ы дисперсии воспроизводимости = N(m - 1).
Естественно, что суммируемые дисперсии должны быть
вышала все остальные. Проверка однородности дисперсий про-
: — их нельзя суммировать), если
где лэксп — экспериментальное значение F-критерия, равное отно-
шению большей дисперсии к меньшей; F(0 05.^ .. » — табличная
ней свободы для числителя, равное числу степеней свободы боль-
шей дисперсии; fUM = f% — число степеней свободы для знаменате-
9 = (1-Y) 100%.
sf, = <sbo • в Двигателестроении, где опыты недешевы и орга-
практически всегда.
I Проверка значимости коэффициентов — исключение из полу-
ответствутощих членов), по абсолютному значению меньших дове-
рительного интервала их вычисления (т.е. лежащих в пределах
| возможной случайной погрешности), проводится следующим обра-
зом. Определяется сначала дисперсия коэффициента регрессии
SI = ~N Sy • так как коэффициент находится по N измерениям. До-
верительный интервал коэффициента
(3.13)
где *(0<05; [ ) — табличное значение Г критерия при 5%-ном уровне
определялось значение 8^ ; Sh = 'Jsfi Коэффициент b считается
незначимым, т.е. его следует не учитывать, если
(3-14)
При проверке адекватности модели выясняется, насколько
[хорошо уравнение регрессии описывает экспериментальные дан-
ные. Дисперсия адекватности характеризует среднее квадратичес-
кое отличие экспериментальных значений отклика от соответст-
Дисперсия адекватности рассчитывается разными способами в
зависимости от реализации матрицы планирования. Если опыты в
точке или из предварительных экспер]
кватности рассчитывается по формуле
где уи — значение отклика в u-й строке матрицы; уи — расчетное
по уравнению регрессии значение отклика в той же строке матри-
цы; /ад = N - (Л + 0 — число степеней свободы для дисперсии аде-
используются для расчета коэффициентов регрессии, минус число
це планирования; k — число значимых факторов (коэффициен-
тов); I — число значимых коэффициентов для взаимодействий вто-
(3.16)
Если окажется, что N = k + l, т.е. /ад = 0, проверка невоз-
можна, и план эксперимента называется в этом случае насыщен-
ным. Для выполнения проверки адекватности необходимо провес-
ти хотя бы один дополнительный, “сверхплановый” опыт, напри-
позволит проверить адекватность полученной модели.
Модель (полученное уравнение регрессии) адекватна, т.е. хо-
рошо согласуется с изучаемым процессом, объектом, если выпол-
няется неравенство
(3.17)
нение регрессии. При неадекватном уравнении исследования необхо-
димо продолжить в следующих возможных направлениях:
а) перейти к более сложному плану, провести дополнительные
опыты в новых точках факторного пространства и получить более
б) разбить область экспериментирования на две (или более) под-
3.2. ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА В ЗАДАЧАХ
ИДЕНТИФИКАЦИИ
Перед составлением конкретного плана эксперимента необхо-
ги факторов. Если будут не учтены такие факторы, которые замет-
но влияют на величину отклика, т.е. изменяют его на тот же по-
достигнуть цели могут оказаться бесплодными.
но уменьшить число первоначально выбранных факторов перехо-
дом к безразмерным (или критериальным) параметрам. Напри-
Дов воздуха и топлива в камерах сгорания — коэффициент избыт-
ка воздуха; вместо давления на входе в объект и на выходе из него
расхода воздуха, частоты вращения, приведенные к стандартным
атмосферным условиям, позволяют исключить ив рассмотрения из-
менения (во всяком случае небольшие) параметров воздуха на входе
в двигатель или в его элементы.
При оценке вида модели большую помощь могут оказать ре-
виде графической или аналитической зависимости. По ним сразу
видно, можно ли аппроксимировать результаты эксперимента ли-
нейным уравнением (и в какой области факторного пространства)
квадратичную, модель; нет ли в зависимостях особенностей, на-
пример разрывов или негладкости (резкого изменения хода кри-
ного пространства на отдельные части. Если нелинейность зависи-
преобразований отклика свести функцию к линейной. Так, гипер-
болическая зависимость превращается в линейную путем перехода
и сочетания значений факторов в них. Если выбрана структура
числу неизвестных коэффициентов регрессии.
Для выбора сочетания (набора) экспериментальных точек, ре-
ализованных в опытах (дающих возможность составить N линей-
ных уравнении), очевидно единственное математическое требова-
становке значений у и xL в выбранный полином, были линейно не-
зависимыми. А именно: ни одно из уравнений не должно полу-
чаться в результате алгебраических действий с другими уравне-
ниями системы. Если это требование нарушается, то определитель
системы из N линейных уравнений окажется равным нулю и ко-
эффициенты bt найти не удастся.
экспериментальных значений факторов (плана эксперимента).
Теория планирования эксперимента предлагает для любого
гового результата, какая только возможна в данном объеме опы-
тов при заданной точности измерений. Подобный план называется
максимально информативным.
лучения линейной зависимости отклика от факторов каждому из
них надо задать, по крайней мере, два значения. Этим будут опре-
делены точки факторного пространства, отвечающие условиям
опытов. Учитывая всегда присутствующие погрешности измере-
ний, необходимо стремиться к максимально возможному удале-
нию этих точек одна от другой, так как в противном случае даже
небольшие погрешности в эксперименте будут приводить к суще-
ственному изменению искомых зависимостей. Поэтому факторы
целесообразно варьировать на границе области экспериментиро-
вания, т. е. устанавливать их на верхнем или нижнем уровне
(*imax или ^йпиЛ ® этом случае значение каждого фактора в без-
размерном (нормализованном) виде будет равно или +1 , или -1
(см. (3.1)). Если в эксперименте реализуются все возможные соче-
тания этих симметричных уровней факторов равное число раз, то
число факторов; основание — число уровней, на которых варьиру-
Еслн k = 2, то N = 4. Факторное пространство будет представ-
лять собой плоскость; его координатными осями будут факторы
х\ и х2 ; точки, отвечающие условиям опытов, будут располагать-
-1). Начало координат будет центром плана. Здесь безразмерные
значения каждого фактора равны 0, т. е. их натуральные значе-
ния соответствуют основным уровням: хг = xw ; х2 = х20 .
В случае трех факторов (Л = 3) факторное пространство будет
трехмерным. Точки, соответствующие условиям опытов, будут рас-
Представленная таблица называется матрицей плана 23.
Столбцы матрицы, соответствующие факторам Xj , х2 , х3 , пока-
зывают, как изменяется значение каждого фактора от опыта к
опыту, причем единицы, как правило, не пишутся. В строчках
указаны значения факторов в каждом опыте. План должен быть
Таблица 3.2
(2° = 1), для следующего (х2) — через две строки (21
Применяется сокращенная запись плана: каждому фактору
ставится в соответствие буква латинского алфавита (Xj — а, х2 —
б, х3 — с). При записи строки плана эти буквы пишутся, если со-
ответствующие им факторы находятся на верхнем уровне; если же
все факторы находятся на нижнем уровне, то пишется 1. План,
приведенный в табл. 3.2, запишется следующим образом: 1; с; Ь;
Матрица плана ПФЭ обладает следующими свойствами:
1) симметричностью относительно центра плана, т. е. сумма
элементов <
Z ^ = 0;
। нормированностью, т.е. сумма квадратов элементов каждо-
Z(-<..f = «‘ ‘ = 1.2....к;
3) ортогональностью столбцов, т. е. сумма построчных произ-
ведений любых двух различных столбцов равна 0:
4) ротатабельностью, т. е. точки плана подобраны таким обра-
зом, что точность определения отклика по уравнению регрессии
Реализация плана ПФЭ (см. табл. 3.2) позволяет получить
уравнение регрессии, которое будет содержать свободный член,
линейные члены, три парных взаимодействия и тройное взаимо-
действие:
(3.18)
По результатам эксперимента может быть построена матрица,
содержащая не только значения факторов (план эксперимента), но
и величины взаимодействий, входящих в уравнение регрессии
ми, что и матрица плана эксперимента.
Свойство ортогональности столбцов данной матрицы позволя-
ет использовать для нахождения коэффициентов b-t уравнения рег-
квадратов. причем все коэффициенты Ь* будут в данном случае не-
зависимыми.
В соответствии с указанной формулой коэффициенты b-t по
данным табл. 3.3 будут вычисляться следующим образом:
*o = tel+ Уг + Уз + — + Уъ>/8 •
Таким образом, каждый коэффициент уравнения регрессии
вычисляется по результатам всех проведенных опытов, что способ-
ствует повышению точности определения коэффициентов — сни-
жает случайную погрешность результата при той же погрешности
первичных измерений. При статической обработке эксперимента
это обстоятельсво выражается в том, что дисперсия коэффициента
регрессии S* существенно меньше, чем дисперсия воспроизоди-
менты при k > 3. Число опытов для k = 4, б, 6... будет соответствен-
но 16, 32, 64 ... Столько же членов будет в правой части уравнения
регрессии, включающего линейные члены, все парные, тройные и
прочие взаимодействия, в том числе одно высшее взаимодействие
— произведение всех факторов. Коэффициенты уравнения регрес-
сии будут определяться формулой (3.10).
106
Поясним подробнее, в чем смысл входящих в уравнение рег-
членов с взаимодействиями зависимость отклика от каждого фак-
тора остается линейной. Так, если в уравнении (3.13) принять
факторы х2 и х3 равными 0, то зависимость значений у от будет
Если же, например, фактор х2 примет значение 1, то эта зави-
взаимодействия факторов.
нить уравнение регрессии (3.13) членами, содержащими квадраты
факторов х? , то в матрицу (табл. 3.3) необходимо ввести столбцы
Однако ясно, что все члены этих столбцов будут равны +1, т. е.
они будут совпадать с первым столбцом, где г0 = 1. Это означает,
квадратичных членов, т. е. имеет место смешивание указанных
выше эффектов.
Здесь Pfj — коэффициенты некоторого “идеального" уравнения
регрессии, которое может быть получено (теоретически) при бес-
конечно большом количестве опытов и содержит бесконечно боль-
шое количество членов разной степени.
Дробный факторный эксперимент (ДФЭ). С ростом числа
факторов k объем полного факторного эксперимента быстро воз-
растает и становится трудновыполнимым и дорогим. Возникает
задача сокращения числа опытов при сохранении прежнего коли-
чества рассматриваемых факторов. Одним из способов такого со-
кращения является дробный факторный эксперимент, основан-
ный на том, что во многих случаях наиболее важная информация содержится в линейных членах уравнения регрессии. Взаимодей- ствия часто малы или дают второстепенные сведения, поэтому
только члены bt х(, можно сократить. ДФЭ составляет часть ПФЭ и часто называется дробной репли- кой. Количество опытов в ДФЭ N = 2fc “р. (Здесь р — количество личество равно k - р, назовем их свободными факторами) план со- ставляется по правилам ПФЭ, а остальные факторы помещаются в
бец этого взаимодействия): х3 = xt х2 . Соотношение х8 = хг х2 на- зывается генерирующим соотношением. Полученный таким обра- зом план ДФЭ представлен в табл. 3.4.
Таблица 3.4
опыта и *0 *2 Х3 = ХХ Х2
1 + - - +
2 + + У2
3 - + - Уз
4 1- + + + У4
-
влияния трех факторов, т. е. воспользоваться половиной ПФЭ 23, репликой 23 " Результаты эксперимента по этой полуреплике будут представлены уравнением
108
ПФЭ. Поэтому коэффициенты bt могут быть вычислены по выра- жению (3.10) и не зависят друг от друга. Заметим, однако, что коэффициент Ьг ДФЭ будет вычисляться ПФЭ (см. табл. 3.3). Это означает, что коэффициент bs отражает и
место смешивание эффектов: Ь3 р3 + Р12 . Можно показать, что смешанными с взаимодействиями оказы- Ь2^₽2 + Р13« точность получаемого уравнения регрессии, что выражается в сме-
сания линейными моделями таких объектов, математическое опи- незначимые) хотя бы некоторых из взаимодействий. С увеличением числа факторов выбор дробных реплик услож- имодействий, к которым следует приравнивать “несвободные” факторы при составлении планов эксперимента. Так при составлении плана ДФЭ 23- 2 (1/4 реплика от 25) воз- му, а — к тройному взаимодействию. Общее правило таково: при введении в планирование нового (“несвободного”) фактора следует приравнять его к взаимодействию, которым можно прене- бречь, причем, известно, что чем выше порядок взаимодействия, тем меньше его влияние. Выбор дробных реплик требует предварительного тщательного анализа. Применяя дробное планирование, необходимо точно знать систему смешивания и четко представлять цену потерянной информа- ции. Для анализа системы смешивания применяется специальная
ляющий контраст получается из генерирующего соотношения путем
умножения его обеих частей на фактор, стоящий в левой части.
Рассмотрим пример. Допустим, составляется план ДФЭ 24 " \
Первые три факторы приняты “свободными”, четвертый прирав-
Умножив обе его части на х4 получим: 1 = Xj х2 х3 х4 (следует
другому, определяющий контраст (ОК) — это символическое обо-
значение столбца, все члены которого равны +1 и который являет-
ся произведением столбцов реплики. С помощью ОК легко узнать.
достаточно умножить на этот фактор обе части ОК- Тогда в левой
тор, а в правой — взаимодействие, с которым он смешан.
Так, с помощью приведенного выше ОК 1 = хг х2 х3 х4 полу-
чим, что фактор Xj смешан с взаимодействием х2 х3 х4
(*1 = Х2 Х3 Х4), фактор Х2 — с взаимодействием х, х3 х4 , фактор
Если берутся дробные реплики дробности выше чем 1/2, то не-
обходимо использовать несколько генерирующих соотношений и
появится несколько соответствующих им ОК.
торый состоит из исходных ОК и их произведения. Чтобы выяс-
нить, с какими взаимодействиями смешан тот или иной линейный
эффект, необходимо обе части обобщающего ОК умножить на дан-
ный эффект.
Пусть, например, в ДФЭ 2й “ 2 используются два генерирую-
= х2 х3 ; обобщающий ОК 1
’ь . Система смешивания для .
ект jq смешан с тремя взаимодействиями (х2 х4 .
С1 х3 х4 *5 во> поскольку влияние взаимодействия тем
уделить взаимодействию х2 х4 .
шипнике ГТД. Одним из источников нагрева масла в опорах дви-
ные исследования. Ранее было установлено, что при заданной сис-
висит от пяти факторов: параметра быстроходности (dn), осевой
(А) и радиальной (Й) нагрузок, циркуляционного расхода масла
(VM) и температуры масла на входе (7М).
цапфу необлопаченного ротора компрессора. Масляная полость
ми уплотнениямг
: торцевых графитовых уплотнений осуществлялась
аемым через 12 форсунок диаметром 1,5 мм. Тепло-
юдшипнике (отклик) QTp определялось по увеличе-
ржания масла AQM , прошедшего через подшипни-
ковый узел, с учетом отвода тепла за счет теплопроводности по со-
пряженным с подшипником деталям, теплообмена стенок с окру-
жающей средой и тепловыделения в контактных уплотнениях.
Для этого измерялись значения температуры масла на входе и вы-
никового узла.
Размахи варьирования факторов были выбраны следующими:
= dn - (0,7 ... 1,635) - 104 мм об/с;
i2=A = (0,49 ... 2,45) 104 Н;
i3 = B=(l,18 ... 3,54) 10г Н;
= V* = (0,1 ... 0.18) 10 м3/с ;
= Тм = (326 ... 380) К.
111
Нормализация факторов проводилась по обычным правилам
честве генерирующих были выбраны соотношения х* = х2 х3 и
х5 = Х1 х2 х3 • В табл. 3.5 приведен план эксперимента и получен-
*1 *2 ж3 х5 «тр . кВт
1 + - - - 6,18
2 - + - 4,46
3 - + 1,46
4 - + + + 1,84
5 + - + 0,998
6 + + 0,732
7 + - * + 4,84
8 + « + 7,12
Для определения дисперсии воспроизводимости было
проведено пять повторных опытов в центре плана. Получено зна-
чение = 0,404 105. По результатам эксперимента по формуле
(3.10) были определены значения коэффициентов в уравнении рег-
Ьо = 3454,8; Ьг = 2196 ; Ь2 = 580,7 ; Ь3 = 84,2 ;
*4 = 861; t5 = -31,2; Ь12 = 419 ; *13 = 55.7 .
Проверка уровня их значимости по критерию Стьюдента
*i = = ^Sy/(N т) = 70,7) показала, что коэффици-
енты Ь3,65,613 являются незначимыми: < tKp = 2,78 (<кр = 2,78
соответствует значениям доверительном вероятности у = 0,95 и
Таким образом, было получено уравнение регрессии
у = 3453,8 + 2196хх + 580,7х2 + Зб1х4 + 419xj х2 ,
после преобразования которого к натуральному виду получили
расчетную формулу
Q^P = - 2642 + 0,3385dn - 0,0474 + 0,9 107 +
+ 0,91 - 105 dn A .
Проверка по критерию Фишера показала, что полученная ма-
SjJ;| = 0,893 105 .
екта явно нелинейна и не может быть описана полиномом первого
порядка, то возникает задача о составлении рационального плана
виде полинома второго порядка. Неадекватность модели в виде
также свидетельствует о необходимости использования полинома
планирования эксперимента разработано :
расположением точек в факторном пространстве, свойствами по-
лучаемого уравнения регрессии. Остановимся на композиционных
Если добавить к плану для оценки коэффициентов полинома
первого порядка (в планировании он называется ядром плана вто-
рого порядка) еще несколько опытов в точках, специальным обра-
зом расположенных относительно ядра (они называются звездны-
ми точками) и в центре плана, то можно определить на основе по-
лученного таким образом плана коэффициенты полинома второго
порядка.
гепени, если правильно выбрать расстояние а до “звездных”
очек. Общее число опытов при реализации композиционного
число повторных опытов в центре плана. Для ядра композицион-
ного плана второго порядка можно использовать и ДФЭ (на рис. 3.2
зования какого-либо критерия оптимальности плана эксперимен-
та. Такими критериями могут быть ортогональность или ротата-
бельность плана.
Расчет коэффициентов регрессии и статистический анализ по-
рченного уравнения регрессии проводят на ЭВМ с помощью паке-
> прикладных программ.
тональный планы равнозначны. Следует заметить, что ни ортого-
оптимальными, поскольку при таком планировании нарушается
принцип максимального использования факторного пространства.
Это видно на рис. 3.2, где при построении плана не используются
другие критерии
Пример. Определение высотно-скоростных характеристик
сота полета Н, скорость полета (число М) и частота вращения ротора
По характерному виду расчетных высотно-скоростных харак-
но, что они хорошо описываются полиномами второго порядка со
взаимодействиями. Был применен ротатабельный план второго
порядка. В табл. 3.6 приведены диапазоны изменения факторов
(заданные программой испытаний) и соответствующие им кодиро-
ванные значения факторов , соответствующие реальному плану.
Таблица 3.6
фактора х. км Скорость (М) III-
4-1,682 8,5 1,1 11150
+1 7,08 0,938 10988
0 5,0 0,7 10775
-1 2,92 0.462 10552
। -1,682 1,5 0,3 10400
(точнее при соответствующих им значениях температуры Т* и давле-
ния ръ на входе в двигатель). После реализации опытов и обработки
Р = 1399 - 243,3xj + 57,9х2 + 111,9х3 + 22,5хх х2 - 38хх х3 +
+2Т,8х2 г, . - 3,lxJ + 11х| - 9,3х| даН ;
3,3 Х1 + 190,6х2 + 141х3 - 20
33,5х2 xs + lO.TxJ + 23,3х2
Эти уравнения при проверке по F-критерию оказались аде-
(тными экспериментальным данным и были использованы для
строения дроссельных и высотно-скоростных характеристик
1гателя. В качестве примера на рис 3.3 приведены две кон-
>льные дроссельные характеристики с нанесенными на них экс-
при использовании теории планирования эксперимента, в случае
традиционной методики однофакторного эксперимента потребова-
ли бы снятия дроссельных характеристик по меньшей мере при
трех-четырех значениях высоты Н и трех числах М на каждой вы-
соте, т. е. примерно втрое большего количества опытов.
контрольных дроссельных характеристик (б)
Следует отметить, что коэффициенты уравнений регрессии
величину факторов с учетом градуировки приборов, приведения к
стандартным атмосферным условиям и т. д.
Анализ харак'
особенности при сложных законах регу-
или четвертого порядка связано со значительным увеличением
аисла опытов и не является рациональным. Однако исследования
показали, что можно использовать и планы второго порядка.
полученной в условиях Н = О и М = 0):
где упр — величина, измеренная в точке плана и приведенная по
обычным формулам приведения к условию Н = 0и М = 0; j/0 — ба-
зовое значение при той же величине лпр .
При этом целесообразно в качестве фактора выбирать не физи-
: в качестве факторов.
рв и Т* . Это нарушает одно из важных условий оптимального пла-
нирования — независимость факторов. Поэтому в качестве факто-
щения, физические параметры р* и 7^ , устанавливаемые при ис-
пытаниях на входе в двигатель.
Однако специфика турбореактивного двигателя создает труднос-
раничения режимов работы по птт , Т* niax , р’ тах во многих слу-
чаях не позволяют определить параметры двигателя при предель-
зовать требуемые планом максимальные :
тоты вращения и температуры газа перед турбиной. Решением во-
теории эксперимента несимметричных плг
щенных почти Д-оптимальных планов [3]).
3.3. ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
В ЗАДАЧАХ ОПТИМИЗАЦИИ
Целью экспериментальных исследований в ряде случаев
ния экспериментального объекта. Например, требуется найти
углы установки направляющих аппаратов компрессора, обеспечива-
ющих максимальное значение его КПД на заданном режиме.
В таких случаях далеко не всегда целесообразно получение
адекватной математической модели объекта, а оптимум может
быть определен в результате рационально составленного плана
эксперимента. Рассмотрим основные приемы такого планирова-
Однофакторный эксперимент. Пусть требуется эксперимен-
ка у в двухфакторной задаче. На рис. 3.4 крестиками показано ре-
равного Xj , и выдерживают хх = const в первой серии опытов, из-
меняя с выбранным шагом другой фактор х2 до тех пор, пока из-
опыт обозначен крестиком в квадрате. Тогда значение х2 этого
предыдущего шага фиксируют х2 = х2 и дискретно варьируют пер-
станет меньше предыдущего значения. После этого задают
«1 =*! = const, а изменяют второй фактор (третья серия опы-
метра. Этот алгоритм повторяют до достижения области опти-
Если факторов больше двух, то описанный эксперимент требует
ыпого искусства, трудоемкость увеличивается на порядки.
ной точки А получить математическую модель (а ПФЭ или ДФЭ
позволяют это сделать), то она однозначно определяет градиент у
направление наискорейшего роста отклика), по которому, одно-
остичь области оптимума (максимума).
Разберем последовательно этот метод движения по градиенту
- крутого восхождения по поверхности отклика, называемый
акже методом Бокса—Вильсона.
э, для вычисления направления градиента лучше использовать
эавнение регрессии с минимальным числом членов — линейное,
число неизвестных коэффициентов) и дает возможность ис-
1ьзовать дробный факторный эксперимент. Чтобы полученное
i при линейных членах не были смешаны с эффектами вза-
Ий, необходимо областью эксперимента с центром плана
Jt , как правило, составляют 5... 10% от области их определения.
Бторой этап — движение по градиенту — рассмотрим на при-
мере двух факторов. В этом случае уравнение регрессии будет
иметь вид
Известно, что градиент функции есть вектор:
Частные производные отклика по факторам предоставляют
собой составляющие градиента, определяющие направление крат-
коэффициенты уравнения регрессии:
точи А, изменять пропорционально значениям этих коэффицмен-
Небольшой шаг потребует значительного числа опытов при
движении к оптимуму, при большом шаге можно его не обнару-
Обычно сначала выбирают шаг Дх£ по одному из факторов, ис-
измерительной аппаратуры, особенностей стендового оборудова-
ния и др. Пусть будет выбран шаг &Xj . Затем определяют крат-
ность выбранного значения по отношению к исходному шагу
После этого рассчитывают шаги по другому фактору, обеспе-
кать, что, как упоминалось выше, допустимо в многофакторном
лакировании.
восхождения. Для этого последовательно прибавляют шаги в на-
120
где 1= 1,2...k — номер фактора; и = 1, 2,
направлении градиента (обычно п < 5... 10).
Например,
4&хг =
ективным, если хотя бы один из реализованных опытов, задава-
мых значениями xin даст лучший отклик по сравнению с наилуч-
1им опытом любой предыдущей серии. Когда в одном из реализо-
анных опытов достигнуты оптимальные условия, эксперимент
В том случае, если результат уп опыта, задаваемого значения-
факторов ж1Л , хуже предыдущего значения уп _ р возможны
щующие решения. Исследования прекращаются, если значение
г£(« -1) принять за центр нового плана для получения другого на-
правления градиента и осуществить крутое восхождение по вновь
найденному градиенту; 2) уменьшить шаг между точками xin и
Если крутое восхождение неэффективно (удаление от области
сти оптимума, либо есть грубые ошибки при обработке резуль-
гов экспериментов. В первой ситуации следует переходить к
— естественно искать ошибки. Крутое восхождение может осу-
ществляться многократно, пока не будет достигнута почти стаци-
онарная область.
Симплексный метод. При симплекс-планировании условия
первой серии опытов задают в точках с координатами, образу-
ющими правильный симплекс (он называется исходным сим-
плексом).
рый после получения отклика в зеркально отраженной точке 4 и
сравнения его с двумя оставшимися откликами предыдущего сим-
плекса (в точках I и 2), в свою очередь , подвергается этой же опера-
ции до тех пор, пока не будет достигнута область оптимума. Сим-
плекс как бы поворачивается вокруг граней, с каждым шагом двига-
ясь в сторону увеличения отклика, т.е. к оптимуму. Таким образом,
при перемещении симплекса на каждом шаге требуется реализация
лишь одного опыта.
вой серии опытов (см. рис. 3.5 вершины — точки J...3) можно вы-
ки, где k — число факторов. Каждая вектор-строка матрицы соот-
ной серии. Каждый вектор-столбец указывает соответствующие
.0,5
по формуле Xui = I l/[2i(i + 1)] ,
тора. Например, для двух факторов (Л = 2) используют два столбца
х2 Х3 х6 х7
1 0,5 0,280 0 204 0,158 0,129 0,109 0,0945
2 -0,5 0,289 0 204 0,158 0,129 0,109 0,0945
3 0 -0,578 0,204 0 158 0,129 0,109 0,0945
' 4 о 0 -0,612 0,158 0,129 0,109 0,0945
5 о 0 0 -0,632 0 129 0 109 0,0945
6 о о 0 0 -0,645 0 109 0 0945
7 о о о 0 0 -0 655 0 0945
8 0 0 0 0 0 0 -0,661
блюдается минимальный отклик, является отображаемой и опре-
деляет координаты вершины 4 (х14 и х14), зеркально отображен-
ной относительно оставшейся грани 1, 2. Координата зеркально
отраженной вершины определяется из геометрических соображе-
торов, j = 1, 2, 3, .... k + 1 — число опытов; хт — i-я координата
искомой (новой) точки; xic — i-я координата центра грани, относи-
тельно которой осуществляется отображение точки с наихудшим
результатом; ху — i-я координата точки (опыта) j, в которой полу-
чен наихудший результат. Координата центра грани симплекса,
ется по формуле xic = £ xig -,g* j. Приведенные формулы по-
зволяют определить такие координаты вершины 4: х14 = О,
х24 = 1,156. Указанные формулы справедливы и для натуральных
лении движения симплекса принимается случайным образом.
124
Если в опытах получаются такие значения отк7
плекс начинает вращаться вокруг одной из вершин I
же точка встречается более чем в (Л + 1)-м последовательных сим-
плексах (см. на рис. 3.5 вращение симплекса вокруг точки 25)), то
необходимо повторить опыт, дающий максимальный отклик (на
рис. 3.5 опыт № 25). Если в повторном эксперименте вновь полу-
чится максимальное значение отклика, то, вероятно, данная вер-
шина находится в области экстремума (по крайней мере — ло-
кратить. Альтернативным решением является уменьшение грани
симплекса (начиная с опыта № 25) для более точного определения
именно этого оптимума или проведение опытов в другой области
факторного пространства для поиска другого возможного локаль-
ного оптимума.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Каким требованиям должны отвечать факторы и отклики
3. Как определяется область экспериментирования в фактор-
4. Чем отличаются экспериментальные (апостериорные) моде-
ли от теоретических (априорных) моделей?
6. Как проводится проверка адекватности модели?
7. Как составляется план полного факторного эксперимента
типа 2/г ?
3. Чем отличается дробны:
го факторного эксперимента?
9. Что означает понятие “смешивание эффектов”?
10. Как анализируется система смешивания в ДФЁ
ый эксперимент от полно-
12. Какого вида уравнения регрессии могут быть получены по
результатам ПФЭ, ДФЭ и плана второго порядка?
13. Как реализуется метод движения по градиенту при отыс-
кании оптимума функционирования системы?
используется в симплекс-методе оптимизации?
Глава 4. ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ СТАНЦИИ
И УСТАНОВКИ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ДВИГАТЕЛЕЙ
4.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ СТЕНДОВ
В процессе разработки, экспериментальной доводки, а также
проводить большой объем испытаний на различных испытатель-
ных стендах. По типу испытуемого объекта их можно подразде-
лить на: стенды для испытаний полноразмерных двигателей; стен-
ния, турбин); стенды для испытаний отдельных элементов, агрега-
двигателей, поскольку на таких стендах выполняются основные
этапы доводки двигателей, а их устройство и оборудование в зна-
испытательных стендов. Характеристика стендов, предназначен-
ных для испытаний отдельных узлов двигателей, дана в гл. 8.
подразделить на две большие группы — стенды открытого типа и
На стендах открытого типа реализуются условия, соответст-
объемы испытаний при опытной доводке двигателя (проверка ос-
новных данных двигателя путем снятия дроссельной характерис-
тики, оценка характеристик отдельных элементов, ресурсные ис-
ные, периодические, типовые испытания).
На высотных стендах исследуются особенности работы дви-
гателя или силовой установки в условиях полета (определение вы-
полете, исследование совместной работы входного устройства и
зволяют получить более точные и надежные данные благодаря ис-
пользованию специализированной измерительной аппаратуры,
возможности непосредственного измерения тяги и более широко-
ций или лабораторий. Испытываемые двигатели устанавливаются
и испытываются с использованием специального оборудования в
нал, измерительная и вычислительная аппаратура размещаются в
центрах. Испытания обеспечиваются системами питания (топлив-
специальных технологических помещениях и частично в испыта-
тельных боксах. Источники питания систем объекта и испыта-
тельного оборудования электроэнергией различного напряжения,
сжатым воздухом и другими различными средами размещаются в
i также технологические подразделения обслуживают, как прави-
В состав испытательных станций входят также вспомогатель-
боратория, лаборатория контроля и испытаний приборов и др.),
специальных залах подготовки. На испытательных станциях и
Каждый испытательный стенд должен удовлетворять опреде-
ли, точности и достоверности получаемых результатов.
Точность измерения параметров ГТД стендовыми измеритель-
верительном вероятности у= 0,95.
Тяга или крутящий момент
параметров двигателя при до-
Расход топлива
Расход воздуха через двигатель
Расход масла
0,5% измеряемой
величины (ИВ)
0,5 % ИВ
0,7% ИВ
5 % нормированного
дела измерения (ВП)
Давление воздуха на входе
1% ВП
50 Па
1% ВП
1,5% ВП
Давление масла и топлива
Температура масла и топлива
На каждый стенд составляется паспорт стенда — формуляр,
содержащий основные характеристики аэродинамики стенда, его
оборудования и систем. Все характеристики должны проверяться
и фиксироваться в паспорте стенда при ремонте, перестройке стен-
4.2. ОТКРЫТЫЕ СТЕНДЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ
ДВИГАТЕЛЕЙ
частью испытательного стенда и состоит из следующих частей:
а) входной, через которую к двигателю поступает воздух из ат-
мосферы;
б) центральной, где устанавливается испытуемый двигатель;
в) выходной, где происходит охлаждение выхлопных газов и
выброс в атмосферу.
Как входная, так и выходная части могут быть расположены
жение предпочтительнее, так как во всасывающую систему попа-
аэродинамический расчет, имеющий целью определить его разме-
1
ры. При этом должны быть выполнены условия, обеспечивающие
точность результатов измерений в процессе испытаний. В частнос-
ти, скорость потока во входных каналах не должна превышать
части бокса более чем на 10 % площади его поперечного сечения.
Потери полного напора во входной части не должны превышать
1330 Па, р*х /рн = 0,988... 1,02, где р*х — полное давление на
сопла от его края.
ва, чтобы и при аварии обеспечить безопасность обслуживающего
Воздух поступает из атмосферы через шахту всасывания 1
стенда на платформе силоизмерительного устройства, которая ук-
129
i от пола и стен бокса. Поэ-
>-транспортными устрой-
вие струи газов, вытекающей из реактивного сопла, можно было
подмешать к ней достаточное количество атмосферного воздуха. Для
этого на некотором удалении от среза сопла двигателя, чтобы не ис-
казить поле давлений на хвостовой части, устанавливается эжектор-
' возникающее при этом движение воздуха в
ют значение силы, действующей на силоизмеряющее устройство.
внесение поправок на “парусность” и на входной импульс, значения
которых зависят от уровня скорости и могут достигать 2...3 % изме-
ренной тяги.
Величина поправки определяется экспериментально по ре-
темы бокса либо путем сравнения данных двигателя на различных
Относительные значения погрешностей определения тяги воз-
уменьшением его удельной тяги). Поэтому на стендах, предназна-
ченных для испытаний двигателей с большой степенью двухкон-
можно более равномерное обтекание двигателя внешним потоком
во время испытаний и сводящие к минимуму воздействие потока
на элементы силоизмерительного устройства. Схема такого стенда
гального бокса установлены направляющие лопатки 1 и сетки 2,
на, а само устройство 3 углублено в нишу. Монтажные мостки во
время испытаний убираются. Продольные размеры входной и вы-
ходной частей бокса достаточно велики. Благодаря указанным
На некоторых режимах при испытании ТРДФ и ТРДДФ не
Кабины управления.-В кабине управления расположен пульт
управления двигателем. На нем установлены рычаг управления дви-
гателем, стоп-кран, тумблеры управления системами, основные при-
боры контроля эксплуатационных параметров рабочего процесса.
На пульте управления располагаются дисплеи ЭВМ, на кото-
виде появляется информация о параметрах двигателя, результа-
тах измерений и их первичной обработке на ЭВМ. Это позволяет
оперативно вносить изменения в режимы работы и настройку дви-
гателя, устранять возможные ошибки и при необходимости повто
Широкое применение получили промышленные телевизион-
ные установки, которые позволяют во время испытаний наблю-
дать за двигателем и его агрегатами, реактивным соплом и струей
Силоизмерителъные устройства. Тяга является основным
тель имеет значительную массу, что требует массивных систем
крепления, способных выдержать тягу двигателя, достигающую
нескольких десятков тонн.
При испытаниях возможно возникновение значительных бо-
ковых усилий в плоскостях, перпендикулярных оси двигателя и
вибрационных нагрузок.
Наибольшее распространение получили тягоизмерительные
системы (ТИС) с динамометрической платформой, на которой ус-
платформу передаются к первичному преобразователю — силоиз-
мерительному устройству (СИУ), который уравновешивает и изме-
жение (упругие ленты, рис. 4.3) или сжатие (упругие шарниры).
Могут использоваться и комбинированные упругие шарниры, ра-
ция допускает перемещение платформы на расстояние 1...2 мм с
минимальным сопротивлением. В СИУ применяются измеритель-
ные преобразователи различных типов: механические с рычаж-
гим чувствительным элементом, воспринимающим усилия и пре-
торных, емкостных, индукционных или вибрационно-частотных
первичных преобразователей; гидравлические или пневматичес-
кие месдозы с уравновешиванием измеряемого усилия давлением
измеряемой величины при доверительной вероятности 0,95 и вы-
сокой чувствительности системы;
1-
2) необходимо обеспечить возможность измерения как пря-
мой, так и обратной тяги при реверсировании тяги двигателя;
8) должна быть обеспечена возможность испытаний двигате-
лей разных тяг;
двигатель, которых нет в эксплуатации;
5) влияние системы коммуникации на измеренную тягу долж-
но быть минимальным;
6) динамометрическая платформа должна иметь приспособле-
ти, порождаемые элементами системы. К ним относятся:
а) погрешности, вносимые регистрирующими приборами. Они
связаны с классом точности прибора и диапазоном измерения.
Уменьшение погрешности регистрирующего прибора может быть
достигнуто путем применения многодиапазонных устройств или
б) погрешности, вносимые маятниковым эффектом и сопро-
тивлением изгибу упругих опор. При отклонении динамометри-
ческой платформы возникают осевая составляющая от ее суммар-
ны при градуировке СИУ. Желательно, чтобы деформации шлан-
времени при продолжительной нагрузке. Поэтому в соедини-
ные материалы;
намометрической платформе, то возникает погрешность
100%,
где а — угол отклонения оси двигателя от горизонтального на-
платформе предусматривается возможность проверки правильнос-
ти установки двигателя;
г) ошибки, возникающие в процессе эксплуатации стенда, свя-
занные с непараллельностыо установки гибких опор. У однотип-
ных подвесок при перемещении платформы возникают реакции
опор, сумма которых дает горизонтальную составляющую силы.
Ошибка в измерении тяги будет зависеть от реальных размеров
Размеры установки должны приниматься такими, чтобы полу-
параллельностью гибких опор, возникает как вследствие неточ-
формы при изменении температуры.
При наличии больших перепадов температуры воздуха, на-
пример при испытании летом и зимой, когда разница температур
стальной платформы может составить до 0,3...0, 4 %. Поэтому в
процессе испытаний надо контролировать непараллельность лент
и вносить соответствующую поправку в измеренное значение тяги.
ких погрешностей, СИУ снабжены устройствами для градуировки
темы. Такое устройство показано на рис. 4.3. Градуировка про-
водится путем последовательного нагружения рычага 5. При
м создается усилие, имитирующее тягу. По результатам граду-
>вки строятся рабочие графики.
Устройства для измерения крутящего момента. При испы-
i основным параметром является крутящий момент на валу.
вращению вала
может поглотить гидротормоз; точка В соответствует максималь-
ной частоте вращения. Линия ОГ характеризует минимальную
мощность при минимальном заполнении кожуха водой. Изменяя
подачу воды, можно получить любую точку внутри диаграммы
ОАВВГ. Гидротормрза надежны при работе и широко применяют-
ся при испытаниях. К их недостаткам относится то, что они
имеют узкий рабочий диапазон, требуют много воды и имеют
сложную систему ее охлаждения, а также неустойчиво работают
на малых частотах вращения.
Кроме того, крутящий момент может измеряться при помощи
нагрузочным устройством. Реже используются торсионные (или
крутильные) динамометры, точность которых ниже, чем у гидро-
перед двигателем неоднородность потока, возникающую из-за не-
равномерности полей скоростей и давлений и их нестационарнос-
ля: уменьшаются запасы газодинамической устойчивости, увели-
чивается удельный расход топлива и т.д. Поэтому испытания
обычно проводятся с использованием специальных устройств, мо-
делирующих неравномерность и нестационарность потока на
эля параметров потока характеризуются
t перед двигателем устанавли-
i координа-
тами — относительным радиусом г = г/гя и углом <р (рис. 4.5,а).
Для наглядности поля полного давления изображаются линиями
постоянных относительных давлений — изобарами (см. рис. 4.5,6).
В практике нашли применение различные способы количествен-
Ртах и ₽min — соответственно максимальное и ми-
нимальное значения полного давления; рср — среднее значение
полного давления.
Критерии неравномерности поля давления дополняются кри-
гериями нестационарное™ потока, учитывающими изменение
канала или его части. Например, сетка может состоять из не-
ленных на силовой решетке.
тивление отдельных участков поперечного сечения канала и тем
самым получать поля полных давлений различной конфигурации
непосредственно в ходе испытаний, показано па рис. 4.6. Оно
включает в себя канал квадратного сечения, в котором установле-
ложных квадрантах. В результате этого получаются окружные
зоны неравномерного давления. Для получения радиальной нерав-
Одномерные колебания потока могут генерироваться дроссе-
; двух рядов лопастей, один из которых непо-
дения сечения и частотой вращения лопастей.
Для создания в потоке возмущений, в максимальной степени
сальному воздухозаборнику, применяются
возмущений, в которых неоднородности те-
струйные генерат
чения создаются
него подается сжатый воздух. По-
Система может создавать следующие виды* возмущений:
Современные испытательные станции имеют централизован-
ную подачу топлива к стендам. Топливохранилище располагается
надземных топливных баков. Топливохранилище оборудовано на-
сосной станцией для перекачки топлива из железнодорожных со-
139
. прокладывается
избытка топлив
вращения в топливо-
навливаются отсечные клапаны с электрическим и ручным приво-
В топливной системе стенда (рис. 4.7) обычно имеется устрой-
мер, расположенный в области низкого давления и позволяющий
измерять осредненные по времени расходы топлива GT . В непо-
средственной близости от двигателя устанавливается турбинный
। нескольких точках топливной системы
измеряется давление топлива рт .
Особое внимание уделяется чистоте топлива. В подводящих
вило, сетчатые, для улавливания крупных включений. Непосред-
ственно перед двигателем устанавливаются фильтры тонкой
очистки — бумажные или матерчатые, обеспечивающие очистку
топлива до размеров включений 5 мкм. Магистрали топливных
вых самолетов необходимо подогреть топливо. Для этого в систему
тели других систем. Скорость движения топлива по трубопрово-
дам выбирают из условия малых гидравлических потерь, и оиа не
превышает, как правило, м/с. В тех случаях, когда давле-
двигатель. Они
1 двигателей
жения элементов двигателя, обрыва лопаток и т. п., а также
слические испытания двигателей, предназначенные для ско-
тных самолетов. На этих стендах предусматривается подогрев
, обеспечивающие регистрацию напряжений в ряде точек дви-
Надо отметить, что характеристики двигателя на этих стендах
а) поле температур на входе неравномерно, а измерения проиг-
рается неточно;
рактеристикой источника подачи воздуха и режимом работы ис-
। внешние силы, действующие на двигатель, в'этих условиях
как правило, не измеряют тягу, а ограничиваются ее расчетным
значением.
Повышенное давление воздуха на входе в двигатель может
прессора вспомогательного двигателя (рис. 4.9). Для увеличения
тор 3, однако при этом существенно уменьшается значение рвх .
Расход воздуха, давление и температура на входе в двигатель ре-
вспомогательного двигателя.
на многих режимах, в частности, при повышенной температуре
критического, в отличие от работы в полетных условиях, когда
этом случае будут различаться режимы работы многих элементов
на режим сверхкритического истечения, понижают давление на
соплу камеры разрежения 11; связанной со специальным расширяю-
работы системы и регулиров
1 с нерегулируемым соплом и без форсажных камер.
При испытаниях на таких стендах обеспечиваются на входе в
двигатель параметры воздуха, соответствующие заданным значе-
вления полного давления в воздухозаборнике), а в
камера (ТЕК) представляет собой емкость диамет-
длиной до 25 м, способную выдержать большие
400...500 К). В термобарокамерах применяются тягоизмеритель-
ные системы, рассмотренные выше. В стенках ТЕК имеются люки
и штуцера для введения измерительных приборов, технологичес-
ких и электрических магистралей и окна для наблюдения за
объектом в процессе испытаний. Схема ТБК для испытания изо-
соединенным трубопроводом на входе приведена на рис 4.10,я. Для
перегородкой
рудностью уплотнения стыка между перегородкой и двигате-
I. При этом возможны нестабильность измерения рабочих
>аметров, неравномерное распределение рабочих параметров
параметрами на измерительное и технологическое
Внутри ТЕК монтируется двигатель, и на входе и выходе со-
;аются условия, близкие к полетным. Воздух в ТЕК подводится
1 воздушно-компрессорных станций (ВКС), а продукты сгорания
сасываются специальными компрессорами-эксгаустерами, бла-
<ря).
1 для обеспечения монтажных работ.
дом незначительно (на 10... 15%) превышает расход воздуха через
димую скорость на входе в воздухозаборник, соответствующую по-
летной (рис. 4.11).
меняя положение двигателя относительно сопла, можно имитиро-
вать работу двигателя при различных углах атаки набегающего
। двигателя, определения усл
затрудняет проведение испытаний и приводит к их значительному
4.4. ОБОРУДОВАНИЕ И СИСТЕМЫ
ВОЗДУШНО-КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ
Для обеспечения работы высотных стендов создаются слож-
ные дорогостоящие ВКС, которые состоят из систем подачи, нагре-
выхлопных газов, а также систем контроля и управления. Высо-
кая стоимость систем и сложность эксплуатации обусловливают
возможность их создания в составе крупных испытательных цент-
ров, включающих в себя несколько больших высотно-скоростных
стендов, предназначенных для испытаний двигателей в разных
Института Авиационного Моторостроения (ЦИАМ).
Рассмотрим основные системы, входящие в состав исследова-
тельских центров.
Система подачи воздуха. Для обеспечения работы высотно-
рах с обдувом двигателя потребный расход увеличивается. Сис-
тема подачи воздуха должна обеспечить на входе в двигатель дав-
ление при работе различных стендов от 1 до 500 кПа. Поэтому
нескольких ступеней, каждая из которых, в свою очередь, состоит
ной установкой, состоящей из двух ступеней. Первая ступень вклю-
чает в себя четыре компрессора с приводом мощностью 20,3 МВт.
ступени я* = 3.2. Компрессоры могут работать как параллельно,
на базе управляющей ЭВМ, а также сложной системы перепусков.
полета имитируются. Она может меняться в очень широких преде-
лах. После компрессорной станции температура воздуха имеет по-
рядок Твх« 130...150С. Поэтому в состав испытательных ком-
воздуха. Подогрев воздуха может осуществляться тремя способа-
1) подогрев воздуха путем прямого сжигания топлива в пото
ке. Для этого в воздушном тракте устанавливается камера сгора-
тате сжигания топлива в потоке газов уменьшается содержание
кислорода и появляются продукты сгорания. В какой-то мере со-
кислорода в необходимых количествах. Но наличие продуктов сго-
рания в потоке оказывает существенное влияние на процессы в
2) “чистый" подогрев воздуха в теплообменниках. Этот спо-
соб позволяет получить более достоверные характеристики двига-
телей, так как в подогретом воздухе не содержится продуктов его-
[ более.
охлаждения воздуха после кот
духа может
ются холодильные станции (ХС). Примерная схема одной из них
приведена на рис. 4.13. Пары фреона холодильного агрегата про-
все элементы ХС, охлаждается
ность турбины поглощается гидротормозом. Кроме того, мощность
турбины может быть использована для вращения электрогенера-
торов или компрессоров.
Система осушки воздуха. При испытаниях необходимо
обеспечить подачу воздуха с влагосодержанием, соответствую-
влаги уменьшается. Например» если на уровне земли содержа-
влаги или поглощением ее адсорбентом.
воздуха, истекающего из сопла или проходящего через холодиль-
ную турбину. При этом происходят выделение и конденсация
воды, которая отделяется от потока в сепараторах.
При осушке с помощью адсорбентов воздух пропускается
через влагопоглощающие колонки. В качестве адсорбента исполь-
зуются силикогель — двуокись кремния, алюмогель — окись алю-
миния и другие гидрофильные вещества. Установка состоит из не-
скольких колонок, наполненных адсорбентами. Колонки включа-
ются поочередно. В отключенные колонки подается нагретый воз-
дух. При этом влага из поглотителя удаляется. По мере насыще-
ния влагой силикогель синеет. При нагревании он теряет влагу, и
его начальный цвет восстанавливается. Это свойство и является
индикатором работоспособности поглотителя. Объем колонок и
количество адсорбента весьма велики.
Устройства для осушки воздуха требуют больших площадей и
затрат на капитальное строительство, а при эксплуатации — за-
трат энергии на работу осушающих устройств.
Эксгаустерные устройства. Эксгаустерные устройства вред-
самым полетных условий в барокамерах и сопле двигателя. Эксга-
ный расход превышает 4000 м3/с, а минимальное давление может
ная мощность, необходимая для работы эксгаустерных станций,
превышает 160 МБт.
4.5. СТЕНДЫ ДЛЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ
ИСПЫТАНИЙ ДВИГАТЕЛЕЙ
телей и на авиационные материалы требуется проведение специ-
альных испытаний. В процессе этих испытаний необходимо экспе-
природных факторов, к которым относятся: давление, температу-
Опыт показал, что проведение испытаний на стендах предпо-
Одним из самых сложных элементов таких стендов является
система воздухоснабжения, описанная ранее.
Для имитации обледенения используются коллекторы форсу-
ко капель движется по стенду со скоростью, соответствующей по-
цвижения льдинок и капель на входе в двигатель используется ла-
зерный анемометр. На стенде могут быть проведены испытания по
воздействию снега на работу двигателя. Снег может создаваться не-
заранее и затем подан непосредственно в воздухозаборник двигате-
различной интенсивности, может быть исследовано также влия-
На основе многолетней практики использования таких стендов
возникла концепция воздействия окружающей среды на двигатель.
целом, так и его систем. Примером может служить стенд, построен-
ный в исследовательском центре им. Арнольда (США).
5000 м2. Длина камеры 80 м, ширина 70 м, высота около 25 м. В
3/ч. Влажность воздуха может изменяться от
вия в камере могут поддерживаться даже при полностью откры-
4.6. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ИСПЫТАНИИ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ СТЕНДОВ
Большинство экспериментальных стендов оборудовано систе-
мами автоматизации испытаний. Такие системы существенно по-
вышают эффективность испытаний, обеспечивают сокращение
времени доводки и отладки двигателей за счет ускоренной обра-
ботки большого объема измерительной информации, повышения
ее точности, обеспечения строгого выполнения программы испы-
таний, а также за счет повышения безопасности испытаний и
предотвращения аварийных ситуаций.
Рассмотрим основные особенности работы систем автома-
тизации испытаний на основе данных, приведенных в [7].
Автоматизированная система испытаний двигателя объединяет в
один комплекс автоматизированную информационно-измеритель-
ную систему (АИИС) и автоматизированную систему управления
АСУ) и образует автоматизированную систему управления техно-
логическим процессом испытания — АСУТП-И.
Как правило, системы автоматизации испытаний строятся на
базе персональных компьютеров (ПК).
На АСУТП-И возлагается выполнение следующих основных
1. Автоматическая защита двигателя путем его останова или
Збор и обработка измерительной информации, представле-
: требуемой форме (таблицы, графики, протоколы и т.д.) на
диски и ленты и ,
представление текущей информа-
ление их метрологических характеристик (см. гл. 2).
3. Автоматическое поддержание заданного режима работы
двигателя.
• объект испытаний — воздушно-реактивный двигатель (ВРД);
• комплекс первичных измерительных преобразователей (ПИП)
и первичных преобразователей системы контроля (ППСК);
• устройство связи с объектом (УСО), обеспечивающее преоб-
разование всех форм сигналов первичных преобразователей (ана-
логовых и частотных) в цифровой код, а также преобразование
цифровой информации, выдаваемой компьютером, в сигнал-ко-
• персональный компьютер (ПК) со средствами отображения
информации (дисплеем (Д) и принтером (П)) и клавишным устрой-
ством (КУ);
Рис. 4.14. Структурная схема
механизмы; ПИП — первичные
с объектом; ПК — персов
ления двигателем (рычаг управления двигателем (РУД), рычаг ос-
танова двигателя (РОД), тумблеры, кнопки, клавиши) и пульт ви-
зуального контроля (ПВК).
ниями ПВК соде
ления масла, температуры rasa за турбиной, температуры масла
нию информации
пытаний. Так, нес
вызвавших сбой. Комплекс технических средств
Особое внимание при создании систем автоматизации испыта-
I уделяется защите двигателя. Недопущение разрушения в слу-
чае возникновения дефекта с сохранением зафиксированной ин-
формации позволяет получить весьма важные данные для его пос-
ледующей доводки, не говоря о предотвращении расходов средств
на ремонт двигателя или даже на производство дополнительного
Технический комплекс автоматической защиты двигателя
(ТКАЗД), как правило, состоит из двух систем: пассивной (АЗДП)
и активной (АЗДА).
Назначение предупредительной (пассивной) системы — выда-
на пульте управления), речевого (на экране ПК), в печати (прото-
кол испытаний) о том, что величина контролируемого параметра
сит сохранность двигателя, достигла критического значения.
предупреждающая возможность запуска при ненадлежащей его
подготовке ( например, при недостаточном уровне масла в баке
; пульте управления зажигается лампа красного цвета
иным размыканием цепи между кнопкой “Пуск” и
инициирующим команды пассивной
жом и масляном фильтрах; минимальный уровень масла в баке;
шература масла на выходе из двигателя и др.
Назначение активной системы защиты двигателя — генериро-
:ие сигнала-команды на соответствующий исполнительный ме-
1изм, автоматически останавливающий двигатель с одновремен-
опасных значений (например, заброс частоты вращения, темпера-
туры газа, уровня вибраций и др.).
Активная система защиты состоит из двух подсистем*, подсис-
темы ЭВМ, алгоритм функционирования которой заложен в ЭВМ,
намерений параметров двигателя и сравнения их с опасными их
ных параметров генерируется команда на останов двигателя.
При выдаче команды на исполнительный механизм, останав-
операции
— на экране фиксируется информация с указанием критичес-
“опасного” значения;
— фиксируются значения всех параметров, выведенных на
— включается операция “Выбег”, которая обеспечивает с пе-
ля в течение времени, превышающего время штатного выбега тур-
бокомпрессора на 10... 15 с;
в течение не менее 60 с до поступления koi
Таким образом, функционирование
аварийной ситуации, но и позволяет зафиксировать весьма важ-
ную информацию, последующий анализ которой способствует вы-
явлению причин возникновения дефектов и создает тем самым
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Из каких основных частей состоит открытый испытатель-
ный стенд?
2. Изобразите схему силоизмерительного устройства и поясни-
те назначение его основных элементов.
4. С помощью каких устройств создаются возмущения потока
на входе в двигатель?
5. Какие способы существуют для имитации высотно-скорост-
при испытаниях двигателя в ТЕК?
7. Основные виды оборудования воздушно-компрессорных
с
8. Назначение и структура систем автоматизации эксперимен-
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ
общем случае характеристики двигателя представляют
зависимости основных данных (тяги, мощности, удельного
жима работы двигателя (положения РУД) и внешних условий
(температуры и давления воздуха на входе, неравномерности пото-
В результате проектирования и сертификации двигателя опре-
деляются ряд его наиболее важных параметров, которые называ-
на параметра, тяги, мощности и пр.; одобренная — подтвержден-
ная и одобренная в результате сертификации величина параметра.
; для применения на летательном
шины тяги (мощности):
условиях) или в полете на определенной высоте при стандартных
атмосферных условиях, утвержденная для использования в тече-
1 установленная взлетная тяга (мощность) — тяга (мощность).
НХарактеристики каждого двигателя определяются также в
[весе заводских испытаний — предъявительских и приемосда-
ых.
Кроме тяговых, экспериментальным путем определяются и
(другие характеристики двигателя — характеристики запуска, за-
пасы газодинамической устойчивости и др.
В данной главе рассматриваются основные особенности испы-
таний, целью которых является определение характеристик дви-
5.1. СТАНДАРТНАЯ АТМОСФЕРА. СТАНДАРТНЫЕ
АТМОСФЕРНЫЕ УСЛОВИЯ
, Состояние атмосферы оказывает значительное влияние на ха-
рактеристики двигателя. Например, тяга, расходы топлива, воз-
духа, давления в проточной части двигателя при прочих равных
условиях пропорциональны атмосферному давлению. Атмосфер-
ные условия, определяемые температурой, давлением, влажнос-
|тью воздуха, меняются в широких пределах в зависимости от вре-
мени года, географической высоты, широты местности, что созда-
ет определенные трудности при оценке и сравнении результатов
испытаний двигателей.
Для проверки соответствия данных двигателя техническим
требованиям, сравнения двигателей между собой результаты ис-
пытаний, полученные в произвольных атмосферных условиях (в
так называемых земных, когда высота полета Н = О и число М
полета М = О) приводятся к стандартным атмосферным услови-
|ям (САУ), которым соответствуют следующие значения давле-
ния и температуры атмосферного воздуха: pq = 101,325 кПа
(760 мм рт.ст.), 70 = 288,15 К (+15°С). Условия работы двигателя
определяются также и влажностью воздуха, которая оценивает-
ся абсолютным влагосодержанием d (кг Н2 О/кг воздуха), или от-
духа водяными парами,
где рп — парциальное давление водяного пара; рп нас — давление
насыщения водяного пара, зависящее от температуры.
Как известно из теории ВРД, при неизменных геометрических
размерах относительные величины давлений, температур в харак-
являются функциями двух критериев подобия — относительной
частоты вращения ротора п/ и числа М полета. Для статичес-
ких условий число Маха М = 0 и остается только один критерий
подобия — относительная частота вращения. Исходя из сохране-
ния подобия, т.е. неизмень
стоянном значении относительной частоты вращения, можно при-
вести параметры двигателя, полученные в произвольных атмосфер-
произвольных атмосферных условиях при некоторой частоте враще-
ния и/ могут быть использованы для определения параметров
101,325
288,15
Приведенная частота вращения вычисляется по формуле
i ^288,15~. Если испытывается многовальный двигатель,
«лрО = '
бия при переходе от произвольных атмосферных условий к САУ.
приведения приходится вводить поправочные коэффициенты.
учитывающие I
нием подобия:
параметров двигателя;
CZA ’
хранения подобия; KZA — поправочные коэффициенты, учиты-
вающие влияния ряда факторов на приведенные значения А£пр0
Одним из главных факторов является температура воздуха
. Под ее влиянием нарушается геометрическое подобие, изме*
няются размеры сопловых аппаратов и реактивного сопла, опреде-
При зтом изменяются радиальные зазоры между рабочими лопат-
ками и корпусами компрессоров и турбин, что вызывает измене-
ние КПД. Температура изменяет теплоемкость воздуха и газа, что
сгорания, в результате заметно изменяется расход топлива.
дартного значения на 10 К может изменять приведенный расход
топлива до 1%.
Влияние влагосодержания d на параметры двигателя связано
лено при определенных условиях процессом конденсации водяных
паров во входном устройстве двигателя. При движении воздуха
во входном устройстве понижается статическая температура, и
паров, содержащихся в воздухе, что вызывает выделение замет-
ного количества тепла и изменение режима работы первых сту-
пеней компрессора. При дальнейшем движении воздуха по про-
точной части двигателя происходит испарение сконденсирован-
ной влаги.
На параметры двигателей малой размерности оказывает влия-
турбина могут оказаться в неавтомодельной области по числу Re.
В общем случае поправочные коэффициенты KZA зависят от
значения и режима работы двигателя, который удобно определять
приведенной частотой вращения. Такие зависимости можно пред-
ставить графически (рис. 5.1) и аналитическим путем, например:
При получении зависимостей Кт‘ A-f ^7ТВ j, подобных показан-
ным на рис. 5.1, полагается, что влагосодержание воздуха d = О. По-
правочные коэффициенты KdA являются функциями величин 7* ,
Поправочный коэффициент, учитывающий влияние давления
или, точнее, числа Re, можно представить зависимостью lfReA
В общем случае поправочные коэффициенты находятся рас-
виях на специальном климатическом стенде либо статистической
обработкой результатов испытаний различных экземпляров двига-
гелей одинаковой компоновки в различные времена года. Ввиду
бы нахождения поправочных коэффициентов предпочтительнее
дому значению пп
максимальной тяги
ния двигателем.
Например, пусть двигатель на максимальном режиме регули-
держивается постоянной приведенная частота вращения
постоянной физическая частота вращения (n = const), а при
7* > Т^' — постоянная температура газа за турбиной (7^ = const). В
результате каждому значению температуры будет соответство-
вать определенное значение ппр , отличное от приведенной часто-
ты вращения ппр0 , которое будет иметь двигатель в САУ. Для
оценки параметров двигателя, полученных в произвольных атмо-
САУ необходимо осуществить переход от
ния ппр к ппр0 . Соображения о подобии
нием так называемой эталонной, зависимости параметров дви-
мость получают статистической обработкой экспериментальных
данных.
5.3. ОТЛАДКА ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЯ
Двигатель как сложное техническое устройство перед выпус-
в эксплуатацию при предъявительских и приемосдаточных
питаниях проходит отладку, с тем чтобы его параметры соот-
значения отлаживаемых параметров. Так, например, для тяги
з ..чение.
испытаний, позволяющей изменять положения регулировочных
элементов на работающем двигателе. В общем случае при отладке
регулируются все основные параметры рабочего процесса двигате-
температуры газа 7* в зависимости от регулируемых параметров
— частоты вращения ротора п и степени понижения давления в
ся изменением координат регулировочных элементов хс , xF , кото-
рые изменяют значения регулирующих факторов — расхода топ-
= ц. (xG);
Количество регулируемых параметров равно количеству регу-
лирующих факторов. Зависимости (5.2) могут быть представлены
графически сеткой линии Р = f(n), соответствующих постоянным
ботки экспериментальных данных или с помощью математичес-
С целью обеспечения безопасности и сохранности двигателя
первый выход на взлетный режим производится с заведомо зани-
ча отладки состоит
на рис. 5.3). Переход из исходной точки А в область допустимых зна-
методы такого перехода. Например, минимизируется сумма откло-
нений регулируемых величин от их номинальных значений либо па-
ходится оптимум так называемого главного параметра (например,
тяги) при минимальной сумме отклонений остальных параметров.
В отдельных случаях оказывается, что ни при каких значени-
случае двигатель бракуется и отправляется на переборку, в про-
дельных режимах (например, тягу на взлетном режиме с удель-
ным расходом топлива на крейсерском режиме), обеспечивать за-
пасы устойчивой работы компрессора и т. д.
6.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЯГИ ДВИГАТЕЛЯ
внутренним сжатием имеет коэффициент сохранения полного дав-
ления реального или стандартного воздухозаборника ов = f(M).
Определение тяги двигателя при Н = 0 и М = 0. Примени-
I)
Рис. 5.4. Гипотетическая силовая установка:
тельно к условию М = 0 схема гипотетической силовой установки
преобразуется к виду, показанному на рис. 5.4,а. Площадь струи
невозмущенного потока, попадающей в двигатель, становится бес-
конечно большой, а скорость — нулевой. Тогда уравнение для оп-
ределения тяги имеет вид
духозаборнике отсутствуют, и на входе в двигатель оно равно дав-
пению окружающей среды, которое для условий Н = О и М = О
обозначается р0 .
, на практике осущест-
давлений в реактивном сопле потери полного давления во входном
устройстве приводят к пропорциональному снижению давлений
по тракту двигателя при сохранению неизменными их отношений
и значений температур. Поэтому величина полного импульса
/с0 = Ff. в выходном сечении сопла уменьшится пропорци-
онально авх .
аикают аэродинамические силы, вызванные трением, неравномер-
т. д. Составляющие зтих сил, параллельные вектору тяги двигате-
ля, суммируясь, создают так называемую тягу входного устройст-
твующая на СИУ, складывается из силы Рв, дейст-
входное устройство, и силы, действующей на двига-
примененного к контуру, ограниченному сечениями 1—1 и 2—2
где 1В = GB Св + рв FB - 1в0 Овх — полный импульс потока на выхо-
де из входного устройства.
Сила Р , в свою очередь, состоит из сил, действующих на
(5-9)
Из (5.7)—(5.9) получаем формулу для расчета истинной тяги
двигателя:
этом случае Д(_Р) = ₽ст - Ро , а соответствующая ей поправка
q(P) = - Д(Р).
мимо двигателя в выхлопную систему для защиты ее от высо-
котемпературной струи газа и создает поток, обтекающий дви-
гатель снаружи. Отношение суммарного расхода воздуха СвХ ,
проходящего через бокс, к расходу воздуха через двигатель
<?вХ /GB = а скорость потока во входном сечении бокса может
Из-за нерационального подвода воздуха, загромождения поме-
щения бокса различным оборудованием распределение скоростей
и давлений по сечениям и по длине бокса может быть существенно
неравномерным, что может оказывать заметное влияние на вели-
чину измеряемой тяги и затрудняет его учет. Для уменьшения
влияния аэродинамики стенда и повышения точности получаемых
результатов рекомендуются компоновки, при которых двигатель
крепится к СИУ с помощью верхней подвески на пилоне, а СИУ
Методика определения поправок к измеряемой тяге разраба-
СИУ воспринимает усилие, которое складывается из сил, дей-
ующих на внутренние и наружные поверхности входного уст-
!ства, двигателя, защитную сетку и пилон.
Сила, действующая на внутренние поверхности двигателя, на-
входе в бокс, где поток невозмущен, а сечение 2—2 совпадает с
плоскостью входного сечения двигателя. Уравнение количества
движения будет иметь вид
<2 + G. С. - Ой «1 = F1 ₽1 - (Л
Р.+ Р,-
(вне двигателя) соответственно.
Сила ₽нар , действующая на наружные поверхности двигателя
i J pdFa сил аэродинамического
сопротивления, возникающих при обтекании потоком выступаю-
(6.13)
Из уравнений (5.10)—(5.13) получим выражение для нахояще-
ного давления на входе в двигатель, равному р’ = pj овх (это давле-
: стандартным атмосферным условиям). Отсюда истинное значе-
(5.15)
Систематическая погрешность измерения силы тяги
*) = Рст - Ро ; поправка на эту погрешность q[P) = - ЦР).
Наибольшие трудности при определении этой поправки возни-
кают из-за необходимости определения небольших разностей ско-
ростей и давлений в сечениях 1 —1 и 2—2, которые вследствие
малости измеряются с большой погрешностью и, будучи умножен-
ными на большие величины Go
погрешность в искомую поправку.
аэродинамики испытательного бокса на измеряемую тягу двигате-
уравнений расхода и Бернулли, пренебрегая неравномерностью
скоростей и потерями полного давления в наружном потоке:
где GbS — расход воздуха в сечении 1—1, определенный по изме-
ренным значениям скоростей и температур в потоке.
Для нахождения поправок к тяге с более высокой точностью
введены коэффициенты (а и р), учитывающие неравномерность ско-
ростей потока в контрольных сечениях. Эти коэффициенты для раз-
личных уравнений должны рассчитываться по- разному:
в уравнении количества движения
где сс — среднерасходная скорость в сечении г, ct — текущее ее
значение.
вующие на экспериментальное оборудование, расположенное в
Погрешности определения тяги увеличиваются с ростом ско-
Относительная погрешность определения тяги возрастает с
уменьшением удельной тяги двигателя. Например, при скорости
обдува двигателя 10 м/с на одном из стендов величина 6(F) состав-
ляла - 1% при Руд = 1000 м/с и 6(Р) ~ 6,3% при РуД = 200 м/с. Поэ-
тому значение надежного определения поправок к измеряемой
во, используется также измерение распределения статического
давления по наружным и внутренним поверхностям входного уст-
ройства. Сила Рв определяется интегрированием этого распреде-
Определение тяги е высотно-скоростных условиях. Нанболь-
, Двигатель
от воздушно-компрессорной станции. Вторая часть, подвижная,
соединена с двигателем и динамометрической платформой. Б
ринтного типа. Таким образом, во входном сечении двигателя
виям, Н, М. В термобарокамере стенда с помощью эксгаустеров
При выводе уравнения тяги будем рассматривать схему про-
ность подвижной части цилиндрическая, площадь торцевой по-
тельное устройство стенда Рст , складывается из следующих со-
ставляющих:
(5.16)
, — сила, действующая на торцевую поверхность трубопро-
1Н — сила, действующая на внутренние поверхности трубо-
верхности трубопровода и двигателя; Ро6д — сила сопротивления,
ностей твердых тел, связанных с динамометрической платформой.
В уравнении (5.16) за положительное направление принято на-
Из уравнения количества движения находим силу, действую-
где /с — полный импульс газа в выходном сеченни сопла.
При нахождении силы Рнар будем предполагать, что давление
(5.18)
(5.19)
преобразования, получим
(5.20)
Таким образом, в определи
выходном сечении входят как
духа GB , входящий в уравнение (5.20), измеряется
в мерном сечении трубопровода, способом, указанным в разд. 2.4.
Для нахождения скорости потока су в контрольном сечении
измеряется статическое давление ру . Из выражения расхода
находится газодинамическая функция р(Ху), и по ней вычисляет-
ся приведенная скорость Лу , а затем скорость течения потока:
Полное давление на входе в двигатель находится из приведен-
о выше выражения расхода для входного сечения двигателя
“в” (см. рис. 5-7), в котором измеряется статическое давление рв
|ния и температуры торможения (формулы (5.1)).
I После нахождения перечисленных параметров в номинальных
зованного при испытаниях отношения давлений р* /рн к отноше-
нию рв>ном /рн,ном в случае работы двигателя при докритической
Степени понижения давления i
вводятся I
! нарушение подобия, определяе-
иовиях следует учитывать программу его управления. Так,
|может оказаться, что температура газа за турбиной ?,. ном, при-
веденная к номинальным условиям, будет выше максимально
допустимого значения 7^, тах . В этом случае номинальную тем-
пературу воздуха на входе Твиом следует найти из условия
- 7* /Т^ . Тогда соответствующее ей номинальное
, - lj2/(ft - 1) .
личина Мном
6.5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ВЫСОТНО-СКОРОСТНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
Применительно к испытаниям на высотных стендах полетные
условия удобнее задавать значениями полного давления р* , тем-
окружающей среды рн . ВСХ складываются из отдельных видов
Дроссельные характеристики. Дроссельные характеристики
(ДХ) представляют собой зависимости параметров двигателя от
положения РУДа, режима работы в фиксированных полетных ус-
ловиях.
Для всех двигателей при приемосдаточных испытаниях опре-
гном стенде для большинства двигателей ДХ находятся в услови-
ях крейсерского дозвукового полета. Наиболее часто указываются
ктеристика определяется в диапазоне режи-
ванного режима последовательным выводом двигателя на фикси-
рованный установившийся режим работы. Перед измерением
параметров, снятием контрольной точки производится выдержка
180
для получения установившегося режима дви-
мах, системах управления двигателем и стенда ДХ определяются
в двух направлениях; при увеличении режима — прямой ход и
при уменьшении режима — обратный ход. При этом особое внима-
ние обращается на г------
двигателя, клапанов перепуска воздуха, регулируемых направля-
• из роторов и зависи-
мостями удельного расхода топлива Суд от тяги Pv . Такие зависи-
мости позволяют определить значения удельного расхода топлива
при заданных значениях тяги на основных режимах работы дви-
ческому заданию значениями. На максимальном режиме основны-
ми контролируемыми величинами являются тяга двигателя и тем-
пература газа перед турбиной.
(СХ) представляет собой зависимость основных параметров двига-
теля от числа М полета на постоянной высоте полета Н. СХ ис-
пользуется при анализе процесса разгона ЛА. Чаще всего СХ опре-
сверхзвуковых скоростей. Наибольший интерес представляет раз-
гон при максимальном значении температуры газа перед турбиной
7* и максимальной степени форсирования.
Скоростная характеристика определяется двумя способами. В
первом параметры двигателя измеряются на установившихся ре-
жимах работы, когда двигатель и стенд последовательно выводят-
ся на различные значения чисел М, например, М= 1,1; 1,2; 1,3 и
т.д. до максимальных значений. Перед каждым измерением дви-
гатель выдерживается определенный промежуток времени для по-
лучения установившегося режима. Во втором способе имитирует-
ся изменение чисел М по времени, соответствующее реальному
181
измерение параметров двигателя.
Критическими величинами, контролируемыми при испытани-
ях, в первую очередь являются температура газа перед турбиной
7^ и коэффициент избытка воздуха в форсажной камере ez . Число
М находится из отношения температуры торможения воздуха на
входе 7’ к температуре воздуха 7Н на заданной высоте полета по
стандартной атмосфере.
Высотная характеристика. Высотная характеристика опре-
деляется до максимально потребной высоты полета обычно на
максимальном или максимальном форсированном режиме работы
при постоянном числе М.
чисел Re в отдельных элементах двигателя. Раньше всего в не-
на постоянной частоте вращения происходит увеличение темпера-
туры газа перед турбиной и за турбиной. Увеличение температуры
ноты сгорания и увеличении неравномерности температурного
бины двигателя и требует подробного исследования температурной
неравномерности. Для этого производится измерение температурно-
го поля на выходе из турбины с использованием многоточечных
уменьшаются в несколько раз значения расхода воздуха, топлива,
тяги и всех давлений по проточной части двигателя, что затрудня-
ет измерение этих величин с необходимой точностью. Поэтому
। компрессорах и турбинах и.
ниях режимных параметров (высоты Н, числа М, положения
РУДа) после резкого изменения режима работы, например после
приемистости от режима малого газа до максимального режима;
етров двигателя
при снятии скоростной характеристики, когда число М полета ме-
лета. Влияние нестационарности теплового состояния определяет-
ся при сравнении скоростной характеристики, полученной при
тием контрольной точки, с характеристикой, полученной при бы-
стром изменении числа М.
5.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА И ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ
ПРИ ИСПЫТАНИЯХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Определение параметров рабочего процесса и характеристик
элементов при испытаниях серийных двигателей необходимо для
рассчитанных или заданных ТУ.
от предварительно
что с помощью мате:
равления двигателем, оптимальные размеры характерных сечений
проточной части, проверить эффективность мероприятий по улуч-
шению данных двигателя. Одиако при испытаниях двигателя по-
183
лучить характеристики элементов в широком диапазоне влия-
ющих факторов нельзя из-за ограниченного числа регулируемых
пытаний двигателя, широко используются данные испытаний от-
дельных элементов.
। разработке математической ис-
ния параметров двигателя в пределах допустимых погрешностей
измерений.
Препарирование двигателя. Утвердившийся на практике
термин “препарирование двигателя” означает оснащение его при-
емниками, служащими для измерения различных величин, с
целью получения информации о рабочем процессе, прочностных,
ристиках элементов, основных систем и др. Получение таких дан-
ных и составляет, по существу, цель испытаний; препарирование
довыми измерительными системами для измерения силы, дейст-
вующей на динамометрическую платформу, расходов топлива и
воздуха. К стендовым системам относятся также измерения полет
ных режимных параметров, полного давления р* , температуры
торможения Т‘в и давления окружающей среды. Препарирование
емые за турбиной двигателя, сигналы которых используются
я контроля уровня температуры газа перед турбиной и в некото-
IX случаях для регулирования подачи топлива. Сигналы этих
мерений регистрируются бортовой системой контроля или стен-
выми системами.
(5.21)
пая разности энтальпии продуктов сгорания и энтальпии воздуха
(7СТ = 293 К); Т)г — коэффициент полноты сгорания топлива.
Как видно, для нахождения величины 7* необходимо изме-
рить расход топлива GT , воздуха Ск , температуру воздуха на вы-
ходе из компрессора 7^ . Расход воздуха на входе в камеру сгора-
s двигатель
другие потери воздуха от компрессора:
Обычно под величиной 7^ понимается температура газа в кри-
тическом сечении первого соплового аппарата турбины, поэтому в
величину отборов воздуха от компрессора не включается расход
бины, попадающий через охлаждающие отверстия в поток газа.
Коэффициент полноты сгорания т]г определяется по результа-
там испытаний изолированной камеры сгорания и используется в
виде зависимости от коэффициента избытка воздуха а0 иногда
Для двухконтурного двигателя расход воздуха на входе в ка-
ной находится из решения системы двух уравнении — уравнения
та турбины:
В этой системе уравнений неизвестными величинами выступа-
ют расход воздуха, прошедший через критическое сечение сопло-
, и пропускной спо-
Пропускная способность турбины Ат находится либо по ре-
[ gk c находят по результатам испытаний изолированной каме-
В практике иногда температура воздуха за компрессором не
измеряется, а находится расчетным путем с использованием из-
меренных значений степени повышения давления тс*£ и КПД
компрессора; последний находится по характеристике ком-
Степень повышения давления л* z и КПД суммарного про-
цесса сжатия в двигателе в значительной мере определяют эконо-
8
отношение полного давления на выходе из последнего компрессо-
ра к полному давлению на входе в двигатель:
КПД суммарного процесса сжатия находится по величине
и температурам торможения на выходе из последнего компрессора
и на входе в двигатель. Расчетные формулы учитывают изменение
теплоемкости от температуры и состава газа. Сначала из уравне-
и далее КПД процесса:
Следует отметить, что КПД отдельных компрессоров носят
ориентировочный характер, поскольку погрешности измерений
давлений и температур при небольших степенях повышения дав-
ления приводят к заметным погрешностям определения КПД*
В некоторых случаях полное давление за компрессором не из-
меряется, вместо него используется статическое давление, в том
числе для последнего компрессора статическое давление в камере
1 дополнительным зависимостям, полученным при специ-
ся как отношение полного давления за компрессором к полному
давлению за турбиной с учетом коэффициента восстановления дав-
189
бенка термопар, обычно охлаждаемая водой. Суммарная полнота
входного и выходного сечения двигателя:
При необходимости в это уравнение вводятся члены, учиты-
циент полноты сгорания в
Определение коэффициента тяги Рс и коэффициента расхода
рс свехзвукового сопла возможно при сравнительных испытали-
щими известные тяговые и расходные характеристики. Обычно
в качестве эталонных сопел используются жесткие сужающиеся
। режим работы газогенератора при различных степенях
На фиксированном режиме работы двигателя с эталонным со-
плом, используя измеренные значения тяги сопла Рс и расхода
газа Gr через сопло, а также значения коэффициентов тяги и рас-
Яс=р* /Рн • находим значения идеальной тяги, соответствующей
до давления окружающей среды рк , и идеального расхода газа,
определяемого по параметрам в критическом сечении сопла:
что соответствует изоэнтропическому расширению газа от давле-
Aci - \:.вд •
191
Для сверхкритического режима Лс( = 1. Написанные выше
> действительности используются пере
5.22) находим две неизвестные величины — полное давление
С установленным сверхзвуковым штатным соплом двигатель
выводится на те же режимы, что и с эталонным. Используя най-
денные ранее при испытаниях с эталонным соплом значения рс ,
мулам (5.23), (5.24). При этом необходимо измерить площадь кри-
[ тяги и расхода газа по (5.22), находим искомые козффи-
Испытания с эталонным соплом позволяют найти также и ко-
пературы газа с помощью гребенок.
5.7. ОСОБЕННОСТИ ИСПЫТАНИЙ ТУРБОВИНТОВЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ
Особенность ТВД заключается в больших расходах воздуха,
проходящего через винт. В связи с этим для испытаний двигателя
। рабочей части стенда трудно приблизить к усло-
вигателя и винта в условиях свободной атмосфе-
, могут находиться
Отсутствие при испытаниях винта приводит к необходимости
силовой турбиной двигателя и объединяется с устройством изме-
рения крутящего момента, что позволяет вычислить, измерив час-
гидротормоз. Габаритные
очередь определяют ком-
редуктором и, следовательно, с поглотителем мощности большого
елем мощности требу-
может применяться гибкая муфта, компенсирующая несоосность
установленным на фундаменте, измерение тяги, создаваемой реак-
тивной струей, невозможно. В этом случае приходится прибегать
к ее косвенному определению. Для этого измеряют параметры по-
тока на входе в сопло, полное давление , температуру торможе-
тропического расширения потока от давления р* до давления ок-
ружающей среды рн.
193
> Nb — мощность, развиваемая на валу и измеряемая при испь
яиях; т]в — КПД винта.
Экономичность ТВД определяется удельным расходом топлива:
Если двигатель испытывается без редуктора, то в связи с
уменьшением габаритных размеров поглотителя мощности появ-
форме вместе с двигателем. Такая компоновка позволяет провести
измерение тяги двигателя, получаемой за счет реактивной струи.
В этом случае измерение тяги на наземном стенде ничем не отли-
Измерение тяги на высотном стенде может быть обеспечено
ри испытаниях по схеме с перегородкой (рис. 5.10). В первом от-
же, в котором находится входное устройство, обеспечиваются за-
1нные значения полного давления р* и температуры торможения
ходится реактивное сопло, устанавливается давление окружаю-
щей среды рн.
гателем, соединительный вал получается коротким, что облегчает
тящего момента обтекаются i
гатель, температура которого :
компоновка имеет недостат-
внный с ним измеритель кру-
Между ресивером и барокамерой должно быть установлено
устройство для получения равномерного потока во входном сече-
нии барокамеры.
Тяга может быть определена на основании правил, которые
были ранее изложены применительно к определению тяги на от-
крытых и высотных стендах.
Возможны также испытания ТВД с прямым измерением
тяги и крутящего момента. Поглотитель мощности в этом слу-
чае размещается на динамометрической платформе, а подвод
При такой компоновке на динамометрическую платформу будет
действовать сила, равная тяге сопла. Недостатком такой схемы
измерения крутящего момента при изменении давления в баро-
Важная особенность ТВД — наличие дополнительной степени
ветственно имеются и два регулирующих фактора — расход топ-
лива GT и угол установки лопастей винта ф. В связи с этим при ис-
сельных характеристик (рис. 5.11). Соответствующей загрузкой
гидротормоза можно получить зависимости мощности Ne от часто-
ты вращения п при постоянных значениях температуры газа
ля ограничивается максимальными п„
гойчивой работы двигателя.
На поле характеристик наносятся линии постоянных значе-
ний расхода топлива GT и углов установки лопастей винта ф. Пос-
ледние находятся либо по результатам автономных (модельных
195
и границей ус-
| или натурных) испытаний винта, либо по результатам испытаний
редуктор измерителем крутящего момента.
Полученная область режимов работы двигателя позволяет
выбрать оптимальную программу дросселирования. На макси-
мальном режиме в окрестности максимальных значений частоты
постоянных расходов
ta программа с увеличением частоты вращения п при и затем
увеличением при п = const (ломаная ВС А). Выбранная про-
5.8. ИСПЫТАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ
ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ
видов испытаний являются испытания по
мической устойчивости (ГДУ) двигателей,
тель включает в себя один или несколько
шляется вращающийся срыв или происходит потеря устойчи-
i работы двигателя — помпаж, что приводит к необходимости
ключения двигателя.
ши рабочих режимов (ЛРР) до границы устойчивой работы
'). При этом используются критерий устойчивости Ку и запас
; ДКу = - 1)- 100 %. (5.25)
р)лрр
Эти параметры находят при постоянном значении приведен-
ной частоты вращения.
Под влиянием эксплуатационных факторов и режимов работы
двигателя ЛРР меняет свое положение. Запасы устойчивой работы
ля. Различают понятие
вести должны
сора в системе двигателя специальными методами. Степень дрос-
селирования меняется ступенчато, и на каждой ступеньке на уста-
новившемся режиме фиксируются положение ЛРР, критерии ус-
тойчивости, и так последовательно до момента потери устойчивос-
ти двигателя.
Чтобы лучше представить способы дросселирования компрес-
сора в системе двигателя, рассмотрим для примера одновальный
вого аппарата турбины Fcл . При этом увеличивается степень по-
нижения давления газа на турбине л’ , температура газа перед
турбиной уменьшается, что приводит, тем не менее, при уменьше-
нии Fc 8 к перемещению ЛРР к ГУ. Такой способ неудобен тем, что
требуется несколько отдельных сборок для изменения степени
Дросселирование также может быть осуществлено уменьшени-
ем площади сопла, что приводит к уменьшению величины л* и,
следовательно, к повышению температуры газа перед турбиной
происходит вследствие увеличения температуры газа Г* , что, ес-
тественно, ограничивает возможности метода. Расширить диапа-
сотных стендах воздуха с пониженной температурой Т* . Преиму-
щество метода заключается в том, что можно использовать регу-
лируемое сопло и непрерывно регулировать степень дросселирова-
личение давления в барокамере, что приводит к уменьшению
плотности тока в критическом сечении сопла ?(\. кр) и степени по-
Кроме указанных способов, можно использовать также вдув
воздуха от постороннего источника или впрыск воды в камеру сго-
рания. Физическое воздействие на положение ЛРР эквивалентно
ратура газа перед турбиной.
Определение запасов ГДУ на переходных режимах основано
> сравнению с устано-
ЛРР располагаются выше ЛРР на установившихся режимах. При
проведении таких испытаний АСУ настраивается на более высо-
кий темп приемистости. Применение этого метода ограничивается
Для определения ГДУ используются также динамические ре-
мы работы, которые отличаются от переходных ускоренным
топлива в камеру сгорания. При этом происходит кратковремен-
чительно выше скорости увеличения частоты вращения ротора из-
Для двигателей более сложных схем применяются, помимо
перечисленных, и другие методы определения запасов ГДУ. На-
пример, может использоваться регулирование площади смесителя
ней компрессоров в наружный контур. При этом, как правило,
одного метода недостаточно, требуется применение комбинации
тока на входе — один из наиболее сильно
i положение ЛРР и ГУ. Влияние неоднород-
опытный двигатель проходит такие испытания в статических ус-
ная полетным условиям. Однако при таких испытаниях парамет-
ры неоднородности, неравномерность и пульсации полного давле-
ния сильно коррелированы между собой, что ограничивает науч-
5.9. ИСПЫТАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ
НА ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ
Основными видами испытаний двигателей на переходных
гости. Чтобы охарактеризовать основные задачи, решаемые при
спытания по проверке
энных свойств, проверяемых при испытаниях. При запуске двига-
тель должен выходить на режим малого газа за определенный про-
межуток времени после нажатия кнопки “Запуск” и перевода РУД
ке компрессора (рис. 5.14). Линия 1 —2 соответствует выходу в ус-
тойчивую область пусковой характеристики камеры сгорания с
помощью пускового устройства (стартера) или с режима авторота-
Режим авторотации определяется отношением полного давле-
ния на входе в двигатель к давлению окружающей среды:
Л /Рн = °.^1 + —2-и2У
При отсутствий влияния полетных условий на характеристи-
ки элементов двигателя безразмерные или приведенные его пара-
увеличением числа М полета наблюдает
двигателя до момента достижения критической степени пониже-
турбины. Число М, при котором это происходит, называется пре-
дельным (Мпред). При М > Мпред приведенные параметры двигате-
ля остаются постоянными, т.е. двигатель выходит на максималь-
сора режиму авторотации двигателя с неизменными геометричес-
кими размерами соответствует единая ЛРР. При увеличении пло-
щади критического сечения сопла ЛРР смещается в сторону боль-
мальная приведенная частота вращения ротора и сам процесс ав-
обычно характерным условиям полета. Кроме того, проводятся ис-
пытания двигателя при пониженных значениях полного давления
пускаться.
двигателя на параметры авторотации. Для этого на двигатель уста-
их загрузки на стевде монтируются специальные системы.
В ряде случаев возникает необходимость определения продол-
жительности выхода на режим авторотации. При этом различают
ля. В первом случае выход сопровождается увеличением частоты
вращения, во втором — ее уменьшением.
крутки располагаются выше режимов авторотации. С увеличени-
ем числа М полета линии холодной прокрутки смещаются вправо
прокрутки
Важной характеристикой холодной прокрутки является по-
гребляемая мощность. Зависимость мощности прокрутки от часто-
гы вращения близка к параболической. У каждого типа двигате-
лей, а в ряде случаев и у отдельных экземпляров двигателей в ко-
личественном отношении зависимость мощности от частоты раз-
атмосферного воздуха мощность холодной прокрутки существенно
меняется вследствие в<
— холодная прокрутка
Для запуска авиационных двигателей применяются пусковые
устройства различного типа. Наиболее распространены электри-
ческие пусковые устройства для двигателей малой размерности и
ленная механическая характеристика, представляемая обычно в
виде изменения крутящего момента в зависимости от частоты вра-
щения. При испытаниях проводится проверка зависимости меха-
точников питания, которые могут менять свои параметры под
влиянием окружающей среды.
камере сгорания, например, от свечи зажигания до
геристика камеры сгорания, определяющая совокуп-
। камеру сгорания
римента, подобия и размерности. Так, пусковую характеристику
часто представляют в координатах aQ — рк /ск ,meaQ — коэффи-
воздуха; рк — дав
ют граничную кривую aQ = f^pK /ск^, которая делит область на две
части, в одной из которых обеспечиваются устойчивое воспламене-
ние и горение топлива. При выходе двигателя на исходный режим
Рис. 5.13. Пусковая
характеристика
камеры сгорания
(заштрихована
воспламенения)
попадание в устойчивую область пуско-
вой характеристики.
Воспламенение топливо-воздушной
смеси (ТВС) происходит при постоянной
частоте вращения компрессора (линия
2—3 на рис. 5.14). После воспламенения
ТВС в основной камере сгорания происхо-
дит разгон двигателя при работающем
пусковом устройстве (или без него).
Линия разгона на характеристике ком-
прессора (линия 4—5—6 риС. 5.14) распо-
лагается выше линии рабочих установив-
шихся режимов и приближается к грани-
це устойчивой работы. Регулировка сис-
темы автоматического управления на за-
на режим малого газа без холодного и горячего зависания.
Холодное зависание (прекращение разгона двигателя вследст-
вие занижения температуры газа перед турбиной) свидетельствует
о недостаточной подаче топлива или о низкой полноте его сгора-
ния в основной камере сгорания. Горячее зависание получается,
когда компрессор попадает в область неустойчивой работы из-за
избыточной подачи топлива для данных условий запуска. Провер-
ка системы запуска проводится на специальных климатических
стендах. Температура воздуха на входе в двигатель изменяется в
пределах -6О....+6О"С, а его давление — в пределах значений, со-
04
запаса ГДУ и др) оцениваются допуски на здиную регулировку по-
дачи топлива и запасы по минимальному и максимальному его
расходу. Определяется при этом и время запуска. Все эти величи-
ны должны соответствовать значениям, заданным по ТЗ.
Отработка пусков]
ловиях производится:
по ТЗ ограничений
условия, параметры пускового устройства, тепловое состояние
двигателя, запасы ГДУ, загрузка агрегатов и др). Поэтому при его
методов планирования эксперимента и математического модели-
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Для чего в дополнение к стандартным атмосферным услови-
: вводятся расчетные атмосферные условия?
абсолютное влагосодержание <2 = 0?
3. Что в наибольшей степени вызывает нарушение подобия ра-
боты двигателя?
4. Какими способами можно уменьшить поправки к измерен-
ной тяге двигателя на закрытом наземном стенде?
5. При каких условиях измеренная сила при испытаниях дви-
петной тяге?
зависят от вида характеристики — дроссельной, скоростной,
: уравнение энергии?
9. Особенности испытаний ТВД.
газодинамической устойчивости двигателя?
i связи с этим требуются измерения?
Глава 6. ИСПЫТАНИЯ ПО ПРОВЕРКЕ
РЕСУРСА И НАДЕЖНОСТИ АВИАЦИОННЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ
6.1. РОЛЬ ИСПЫТАНИЙ В ОБЕСПЕЧЕНИИ РЕСУРСА
И НАДЕЖНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ
мени в установленных пределах значения всех параметров, харак-
теризующих способность выполнять требуемые функции в задан-
ных режимах и условиях применения, технического обслужива-
Часто под надежностью понимают также безотказность тех-
геского объекта, т.е. свойство непрерывно сохранять работоспо-
ное состояние в течение некоторого времени или некоторой на-
Работоспособное состояние отличается тем, что параметры
.екта, характеризующие его способность выполнять заданные
1кции, соответствуют нормативным требованиям.
тью, является долговечность. Под долговечностью понимается
свойство изделия сохранять работоспособное состояние при уста-
дельного состояния, которое характеризуется тем, что даль-
дшее применение объекта по назначению недопустимо или не-
кости наступления отказов с опасными последствиями, т.е.
«их, которые могут привести к катастрофическим ситуациям. К
; не удерживаются внутри корпуса (нелокализованные раз-
в ожидаемых условиях эксплуатации.
Большие времена функционировав
фактической долговечности. Поэтому необходимо проведение ус-
них элементов условиям эксплуатации.
енный ресурс двигателя;
— начальный ресурс двигателя до первого ремонта;
— эксплуатационный ресурс (при эксплуатации по техничес-
кому состоянию).
Назначенный ресурс двигателя — суммарная наработка, при
достижении которой эксплуатация двигателя должна быть пре-
Полный. назначенный ресурс двигателя — ресурс от начала
Гарантийный ресурс двигателя — установленная наработка
правил эксплуатации, ремонта, хранения i
На начало регулярной эксплуатации у<
гарантийного ресурса).
Межремонтный ресурс двигателя — наработка между после-
Эксплуатационный, ресурс — установленная наработка двига-
теля при эксплуатации по техническому состоянию, в пределах
Двигатель, его узлы и агрегаты проектируются на величины
полных назначенных ресурсов, исходя из ожидаемых условий экс-
гатель, включая типовые полетные циклы и планируемые нара-
ации по величинам характерных
менее 20 000 полетных циклов. Ресурс отдельных узлов и деталей
может быть меньше ресурса двигателя, если это целесообразно по
1000 по-
веденные данные могут пересматриваться
1ия конструкций двигателей и технологий
их изготовления.
На этапе эскизного проекта разрабатывается план, содержа-
щий этапы и сроки установления и увеличения всех видов ресурса
испытаний по подтверждению указанного в ТЗ полного назначен-
ного ресурса не позднее чем через пять лет после начала эксплуа-
тации. При достижении в эксплуатации заданного ТЗ гарантийно-
плуатации производится на основании положительных стендовых
испытаний (или испытаний на летающей лаборатории) двигателя
ции парка двигателей, разборки и дефектации их при ремонтах и
диагностики.
Успешное про:
для установления (или увеличения) его ресурса. При стендовых
ресурсных испытаниях должна в максимально возможной степени
лентно-циклические испытания (ЭЦИ) основных деталей, ЭЦИ
двигателя и испытания двигателя по эксплуатационной програм-
ме. Эквивалентно-циклические испытания являются основным
видом ресурсных испытаний; в них сокращается время испытаний
пряженных режимах и сокращения слабо повреждающих пере-
менных процессов при их эквивалентном приведении к тяжелым
режимам и более нагруженным переменным процессам.
При испытаниях двигателя по эксплуатационной программе
(торяются все установившиеся режимы и переменные процессы
оследовательности, соответствующей работе двигателя в усло-
; двигателей.
6.2. ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ ДВИГАТЕЛЯ
ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ НАГРУЖЕНИЯ
фектов в некоторых элементах двигателя (критических). Крити-
части — лопатки и диски турбины, камера сгорания, а также
валы и подшипники.
Изучив механизмы исчерпания ресурса (модели разрушения)
при различных видах нагружения, можно на этой основе разраба-
сходит значительно быстрее, чем в процессе эксплуатации,
следствие воспроизведения факторов, наиболее сильно влия-
>щих на ресурс.
При постоянных значениях од
гы. В логарифмических координатах
= ftlg t*) прибли-
Т ресурс детали будет равен t*, т. е. за
время t произойдет полное его исчер-
пание. Тогда за время t* исчерпается
ресурса t/t , иначе повреждаемость (точнее временная по-
прямых линий для различных значе-
В условиях эксплуатации деталь будет работать в различных
промежутках времени tt при различных значениях о4 и 7^ (различ-
ных режимах), которым соответствуют различные значения t* .
модели суммирования повреждений таким образом, что повреж-
даемость будет равна Пе = У, . Исчерпание ресурса (разруше-
ние детали) произойдет при условии П* = £ t/t* = 1.
Как известно, при проектировании элементов двигателей всег-
длительной статической прочности -
— пре-
Ес л и учесть модель разрушения (6.1), то можно записать
t^/t* =^0. /сдл^‘= l/K^i, т.е. повреждаемость обратно пропор-
циональна запасу прочности в степени т(.
ний возникает задача замены работы двигателя на ряде (п) устано-
вившихся эксплуатационных режимов, характеризующихся значе-
ниями t, и г* , работой в течение некоторого времени teKB на экви-
валентном, как правило, более напряженном режиме (взлетном
или максимальном продолжительном), которому соответствует
значение t*KB. Тогда из условия одинаковой повреждаемости с
учетом линейной модели суммирования повреждений значение
режим, на котором суммарная наработка двигателя в эксплуата-
шения равны соответственно Kt и .
из возможных значений (это увеличивает запас), и учтя, что
г1 ~ • получим формулу для определения времени наработки
двигателя на взлетном режиме во время эквивалентно-цикличес-
ких испытаний («1экв):
и отражает равенство запасов длительной прочности при ускоренных
испытаниях на первом (взлетном) режиме и в условиях эксплуата-
увеличение времени испытаний на взлетном режиме 1,2...2,5 раза
эквивалентно по повреждаемости в связи с длительной прочностью
Малоцикловая усталость. Нагружение на выносливость или
усталость испытывают детали, подвергающиеся действию пере-
менных циклических нагрузок.
Нагружение с небольшой частотой f < 0,2 Гц и числом циклов
N < 105 называется малоцикловой усталостью, которая отличается
повторных упругопластических деформаций. К малоцикловой
талости приводят также термоциклические нагрузки.
При постоянной амплитуде переменных деформаций модель
июцикловой усталости имеет вид
еа — амплитуда переменных деформаций; тц , Сц — посто-
— число циклов до разрушения.
Малоцикловая усталость является причиной большинства
лость нагружаются все наиболее напряженные элементы двигате-
ния, детали сопла и пр.) при
Наибольшие переменные нагрузки возникают при запусках,
пробах приемистости, сбросах газа и т.д.
нагружения использовать число циклов N, то в качестве цикли-
ческой повреждаемости (меры исчерпания ресурса при цикличес-
ком нагружении) следует принять Пц = N/N*.
линейного суммирования повреждений суммарная циклическая
повреждаемость выразится в виде Пц = У, Nt /N*t, а условию раз-
рушения будет соответствовать равенство
Пп = £ Л', /К" = 1 .
Усталость. С увеличением частоты нагружения сопротивле-
ние разрушению увеличивается.
Математические модели усталостного разрушения при одноос-
ном нагружении (кривые усталости) в некотором диапазоне изме-
нения N (при f > 80 Гц и N > 105) могут быть представлены в сле-
метры, зависящие от вида материала и температуры.
от собой полигональные кривые (ломаные линии).
Для углеродистых сталей кривые усталости имеют точку пере-
участок (рис. 6.2,а). Обычно = 106 ... 107, а ордината, соответст-
6а,МПа
10* 10s 10е 107 10е N
а — для стали 40ХН2МА при t = 20‘С; б — для стали 4OXH2I
I = 500'С; в — для стали 13Х11Н2В2МФ при t = 20‘С
Для легированных сталей и титановых сплавов значение са
при N* > N*q продолжает снижаться, но значительно медленнее,
чем при N* < (рис. 6.2,в), а для алюминиевых сплавов, кон-
струкционных сталей и жаропрочных сплавов при высоких темпе-
ратурах кривые усталости сохраняют постоянный наклон практи-
чески при всех № (рис. 6.2,6).
Последнее обстоятельство часто используется в практических
расчетах, что способствует их упрощению и получению определен-
ного запаса в результатах.
частотах, т.е. при значениях частот вращения ротора, совпадаю-
щих или кратных частотам собственных колебаний той или иной
детали (лопатки, корпуса, трубопроводы), а также при наличии
ментов (расчеты, эксперименты на вибростендах, тензометрирова-
ние). Кроме того, проверка на высокочастотную усталость в связи
с высокими частотами колебаний (>100 Гц) не требует больших
затрат времени. Наиболее опасными являются нагрузки на мало-
цикловую усталость и длительную прочность. Существуют мето-
полученных
ности двигателя, а также разработка программ его ресурсных яв-
ляются одними из важных причин выхода из строя сопряженных
злементов конструкции двигателя, таких, как подшипники, зуб-
вий смазки, теплоотвода, вибраций и др. Приближенно можно
считать, что износ пропорционален работе сил трения в единицу
времени, т.е. определяется главным образом при прочих равных
условиях значением удельного давления и скоростью взаимного
смещения трущихся поверхностей. Выкрашивание контактных
поверхностей (питтингообразование) в основном определяется про-
цессом усталости поверхностного слоя при качении или качении
со скольжением. Математическая модель разрушения в этом слу-
при ускоренных испытаниях моделирование
нальном выборе нагрузок и скоростей взаимного перемещения
верки работы подшипников может быть увеличено воспринимае-
мо» разгрузочной полости.
Газовая коррозия в двигателях — это разрушение поверхност-
газовой коррозии, или жаростой-
ли за определенный промежуток времени. Поэтому эквивалент-
6.3. СТЕНДОВЫЕ РЕСУРСНЫЕ ИСПЫТАНИЯ
ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Основой для разработки программ стендовых ресурсных испы-
таний является анализ условий эксплуатации двигателя. В ре-
зультате такого анализа формируются типовые полетные циклы
(ТПЦ) и обобщенный полетный цикл (ОПЦ). Типовой полетный
цикл двигателя — изменение во времени давления и температуры
воздуха на входе в двигатель и основных параметров его рабочего
процесса при выполнении типового полета, включая наземную на-
работку при техническом обслуживании и ремонтах, отнесенную
к одному типовому полету.
Обобщенный полетный цикл — типовой полетный цикл дви-
гателя, повреждаемость двигателя в котором равна средней по-
вреждаемости, рассчитанной по всем типовым полетным цик-
пам для данного летательного аппарата с учетом их повторяе-
ТПЦ (ОПЦ) разрабатываются на основании ожидаемых усло-
наработки, бортовых регистраторов или специальных испы-
Обобщенный полетный цикл двигателя (набор ТПЦ с указани*
коэффициента использования каждого ТПЦ в эксплуатации)
цается в ТЗ на двигатель и используется при проектировании.
Каждый полетный цикл представляется в форме графиков и
дования, параметры, характеризующие эти режимы:
• продолжительность ТПЦ (ОПЦ) двигателя и соответствую-
' время работы на установившихся режимах с распределением
• число переменных процессов с распределением по интенсив-
ности и внешним условиям на различных участках полета;
количество и харак-
• коэффициент (вероятность, частота) использования ТПЦ.
Ресурсные испытания двигателя проводятся путем многократ-
дах или на стендах с имитацией высотно-скоростных условий. Ис-
пытательные циклы формируются на основании набора типовых
полетных циклов или обобщенного полетного цикла.
сурсных испытаний должен отвечать следующим требованиям :
— каждый ИЦ начинается с запуска двигателя и заканчивает-
(ОПЦ);
— число переменных процессов, воспроизводимых в ИЦ, и их
цессов и их последовательности в ТПЦ (ОПЦ);
— допускается проведение испытаний на открытых стендах
(вместо испытаний на высотных стендах) с увеличением наработ-
ки на тяжелых режимах и числа циклов нагружения для обеспе-
чения эквивалентности по длительной прочности и малоцикловой
При формировании ИЦ для программы эквивалентно-цикли-
ческих испытаний двигателя ускорение по времени по сравнению
с циклами эксплуатационной программы достигается за счет
уменьшения наработки на менее напряженных установившихся
режимах (например, крейсерских) и числа менее напряженных
номинальный и т. д.) и эквивалентного увеличения продолжи-
тельности тяжелых режимов(например, взлетного) и числа более
Можно выделить три основных принципа составления про-
граммы эквивалентно-циклических испытаний ГТД.
1. Увеличивается наработка двигателя на наиболее нагружен-
ных установившихся режимах (взлетный, максимальный продол
малоцикловую усталость обеспечивается пол-
приемистости, включения реверса, переключения средств механи-
зации компрессора и т. д.) с учетом коэффициента соответствия
вводится наработка на различных частотах вращения ротора
(обычно через 5%) не менее 1 мин на 1 ч наработки в полетном
Принципы эквивалентно-циклических испытаний положены
которые входят в программу сертификационных испытаний. От-
метим их основные особенности, характерные для любых видов
всего 25 этапов.
Для проверки длительной прочности в каждый этап входит
достаточно продолжительный период (два часа) работы двигателя
чем в 10 этапах двигатель должен 30 мин из данного периода про-
работать на режиме взлетной тяги. При сертификационных дли-
тельных испытаниях вертолетных двигателей в каждый этап ис-
[ 30-минуп
ных 150-часовых испытаний входят циклы приемистости и дрос-
из приемистости от малого газа до максимального режима и вы-
держивания РУД в этом положении в течение 30 с и в положении,
соответствующем режиму малого газа в течение 4,5 мин. РУД из
одного положения в другое должен переводиться за время не более
1 с. В каждый этап испытаний входит шесть таких циклов общей
За период 150-часовых испытаний должно быть проведено 100
через 2 часа после выключения двигателя (“холодные” запуски) и
10 не ранее чем через 15 минут после выключения двигателя (“го-
221
рячие” запуски). Часть запусков может быть выполнена после
окончания длительных испытаний. Кроме того, каждый этап
включает также работу двигателя в течение 1 часа чередующими-
газа. При испытаниях двигателей, для которых требуются режи-
мы максимальной чрезвычайной или промежуточной чрезвычай-
ной тяги, ати режимы включаются в часть этапов. Установленная
। время взлета,
на посадку
>й работы и
ской тяги в течение 2,5 часов ступенями одинаковой длительнос-
ти, соответствующих 12... 15 равным приращениям частоты вра-
щения ротора от режима малого газа до максимального продолжи-
тельного.
В качестве примера на рис. 6.3 приведен график изменения
режим работы двигателя многократно изменяется, поэтому для
получения объективных результатов необходимо уделять повы-
шенное внимание точности выхода и поддержания режимов. В
часть этапов должна проводиться с максимальным отбором возду-
ха на нужды воздушного судна и двигателя (например, с включен-
ной противообледенительной системой). Должно быть проведено
максимальной обратной тяги и 25 циклов от режима взлетной
i земле. Б последнем случае
Все приводы :
। и узлы их крепления
ных испытаний,
тяговые характеристики
торые необходимы для i
[ двигателя, а отбор воз-
: режимах температура масла и газа должна поддержи-
Испытания проводятся с использованием топлив, масел и гид-
фикациям.
Перед испытаниями выполняется тщательный контроль эле-
ментов двигателя и проверяется соответствие их технической до-
кументации, а также проверяется работа агрегатов и их характе-
эксплуатации. Прово-
определяются дроссельные характеристики. Составляется Акт
сдачи, после чего двигатель может быть предъявлен на ресурсные
Перед началом и после испытаний проверяется работа двига-
теля на режиме малого газа непрерывно в течение максимально
заявленного времени, а также готовность срабатывания систем
аварийной защиты, сигнализации и диагностических устройств.
При проведении испытаний обслуживание двигателя и его аг-
регатов должно проводиться в соответствии с Руководством по
эксплуатации. Во время проведения предусмотренных регламент-
ных работ должен использоваться только инструмент, входящий в
ностью ресурсной
длитель-
: исчерпа-
рудован системой, обеспечивающей непрерывную запись основ-
ных параметров двигателя и сигналов, характеризующих положе-
ние органов регулирования и контроля. По регистрируемым пара-
тель должен быть снабжен счетчиком ресурса, используемым в
эксплуатации.
ристики двигателя. Проводится наружный осмотр двигателя и его
их характеристики. Производится разборка двигателя с дефекта-
износа, деформаций, вытяжки и т. д. Выполняется также провер-
ка градуировки контрольно-измерительной аппаратуры.
установлении начального на-
мые лопатки вентилятора, элементы подвески двигателя. Эти ис-
ЭЦИ или на специальных установках и газогенераторах. В послед-
вать реальным условиям эксплуатации.
величину подтверждаемого ими ресурса. Это превышение опреде-
циклов и требуемым коэффициентом запаса по долговечности
Коэффициент соответствия испытательного цикла определяет-
ся как отношение повреждаемости в испытательном Пиц цикле к
повреждаемости в ОПЦ Попц : Е, = Пиц /По1щ .
Коэффициент соответствия определяется для каждой детали
исходя из фактических условий испытаний на основании расчетов
напряженного состояния (в том числе и при переменных процес-
сах) с учетом результатов испытаний (термометрирования, тензо-
метрирования) и данных по прочности применяемых материалов.
ступени турбины).
Коэффициенты запаса KN регламентированы нормативными
личины ресурса 2500 н проводятся с коэффициентом запаса
KN = 1,2, а при ресурсах свыше 2500 ч — с превышением по числу
комендуются коэффициенты соответствия 0,75.... 1,25.
обеспечении следующих величин запасов по долговечности:
К = 3 — при испытании двух экземпляров двигателей;
К = 2,5 — при испытаниях трех и более экземпляров двигате-
Назначенный ресурс основных деталей N* в циклах определя-
ется по формуле
где NK — минимальное число циклов, отработанных данной дета-
щие наработку в эксплуатации, а сами испытания могут прово-
диться с испытательными циклами, имеющими различные коэф-
ствующим образом при определении величины назначенного ре-
сурса.
Испытания по установлению и увеличению всех видов ресур-
сов двигателя квалифицируются как успешные, если при их про-
вреждений, а также отказов и дефектов других деталей, которые
в эксплуатационных условиях могут привести к отказам с опасны-
систем в процессе испытаний должны соответствовать ТУ.
6.4. СПЕЦИАЛЬНЫЕ СТЕНДОВЫЕ
ИСПЫТАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ
В процессе доводки и сертификации авиационный двигатель
должен пройти большой комплекс специальных испытаний целью
, различных возможных условиях эксплуатации, в том числе и в
видов специальных испытаний.
кость, циклическую долговечность; определению последствий раз-
рушения лопаток компрессора и турбины и проверке прочности
и превышении максимальной частоты вращения ротора; про-
> гидравлических и пневматических коммуникаций на герме-
прессора
i процессе их изготовления), испытываются под дав-
какое из них больше. Элементы масляных коммуникаций должны
испытываться под давлением, превышающим максимально воз-
можное не менее чем в три раза.
максимальной с суммарной наработкой 15 мин (циклами по 3 мин
с выдержкой между циклами в течение 2,5 мин). Температура
эксплуатации. Для достижения этого допускается применение
специальных средств (например, изменение площади реактивного
выше Мекси-
ки к отказам с опасными послед-
мальной не во ....
ствиями, а также подтвердить после дефектации возможность
дальнейшей эксплуатации двигателя. При недостаточных запасах
структивных .
какого-либо элемента двигателя. Эти испытания могут проводится
или на двигателе (при этом частота вращения снижается до 115%),
или на разгонном стенде. Время испытаний — 5 мин, температура
должна соответствовать наиболее неблагоприятной, которая возмож-
на в эксплуатации.
Специальными испытаниями должно быть показано, что при
обрыве лопатки компрессора или турбины удерживаются корпу-
тельно выявляется наиболее критичная с точки зрения возмож-
шенной силой ступень компрессора или турбины, а также опреде-
ляется максимальное время, потребное для выключения двигате-
При испытаниях должен происходить обрыв одной лопатки
лпрессора или турбины при максимально возможной частоте
положении РУД :
Определение теплового состояния элементов двигателя и
значениях температуры газа перед турбиной и частот вращения
: целью определения их действительной температуры и вы-
ки, диски каждой ступени, опоры роторов, детали корпуса, опре-
деляющие прочность и радиальные зазоры между корпусом и ло-
ройства и жаровых труб; в) по компрессору — корпуса, диски и
другие элементы последних ступеней, если они выполнены из
сплавов на основе титана.
мых значениях 7^ и п. Длительность испытаний должна состав-
лять не менее 75 ч, а суммарная наработка при максимальных
значениях Т’ и п, возможных в эксплуатации, должна быть
и л,, могут применяться технологические сопла, сопловые
воздуха на входе, перепуск части воздуха, дросселирование потока
мых условий эксплуатации, при частоте вращения, соответствую-
быть заменены “горячими” испытаниями, если будет доказано,
или по крайней мере эк-
рах проводится дефектация деталей с целью установления их при-
ристик. Специальными испытаниями проверяются: эффектив-
характеристики запуска двигателя в земных и высо-
ческого регулирования (САР), характеристики масляной системы.
ПОС
: тяги или уве-
земных и летных условиях, причем допускается ее производить в
сухом воздухе. Работоспособность ПОС оценивается, например, по
параметрам, характеризующим тепловое состояние обогреваемых
элементов двигателя. В испытаниях определяются также парамет-
ры двигателя при включенной ПОС.
Целью проверки пусковых свойств двигателя является под-
пуск двигателя во всех ожидаемых условиях эксплуатации и что
при этом обеспечивается пожарная безопасность эксплуатации
самолета.
Проверка проводится наземными и летными испытаниями.
При этом оцениваются параметры двигателя и системы запуска при
“холодных” и “горячих” запусках на земле. При нормальном запус-
ма авторотации) до режима малого газа должен выполняться за ог-
раниченное время (1...2 мин) с сохранением других параметров
В летных условиях производится проверка пусковых свойств с
режима авторотации и при подкрутке ротора пусковым устройством.
Оценивается влияние на пусковые свойства таких факторов, как:
температура и давление атмосферного воздуха, ветровые условия,
допускаемые отклонения в регулировке пусковой аппаратуры и в
результате выполнения
При проверке топливной системы и САР двигателя должна
। агрегатах
бота САР, оцениваемая по точности поддержания в заданных пре-
делах установившихся режимов работы двигателя и обеспечению
переходных режимов без недопустимого превышения, колебаний
или провала регулируемых параметров; по стабильности срабаты-
рактеристик масляной системы. Так, на основных режимах
(взлетный, максимальный продолжительный, промежуточный,
ределяются прокачка масла и теплоотдача в масло, причем изме-
рения производятся через 5 мин после выхода двигателя на зздан-
,..г
(стенки масляных полостей опор роторов, наружные кольца под-
шипников, стенки трубопроводов суфлирования), измеряются
дах, а также в течение
различных условиях.
лотнениях масляных полостей опор, давление воздуха в масляных
полостях опор роторов и в системе суфлирования, уровень масла в
Проверка, работоспособности двигателя при различных
при попадании в воздухо:
Сюда могут быть отнесены также испытания по определению
Проверка достаточ!
ния проводятся в
может быть испо!
В случае необходимости
вигателя с натурным воз-
цией высотно-скоростных условий.
Настройка автоматики двигателя и проходные сечения сопло-
вых аппаратов должны быть подобраны таким образом (в преде-
лах допусков), чтобы обеспечивался минимально допустимый коэф-
фициент запаса газодинамической устойчивости ЛКу . Проверка осу-
ществляется путем создания на входе в двигатель неоднородностей
потока (поле скоростей, пульсации), характерных для наиболее не-
благоприятных условий эксплуатации, с одновременным воздейст-
вием на регулируемые элементы двигателя (площадь критическо-
его работоспособность при возникнове-
имитации вынужденного отключения его в эксплуатации; при
этом отсутствует подача масла в двигатель (имитация поврежде-
цвигателем с половины типичного маршрута или до момента за-
34
Проводятся также испытания, которые должны показать, что
параметры двигателя и уровень вибраций лопаток вентилятора
или компрессора не выходят за пределы допустимых значений
дятся на открытом стенде или .
ножных условий эксплуатации (максимальная скорость при по-
рывах ветра).
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Какие отказы двигателя вызывают опасные последствия?
2. Какие испытания проводятся для проверки ресурса и на-
дежности двигателя?
8. Охарактеризуйте особенности длительных испытаний на
полный ресурс.
4. Какая величина принимается за меру ресурса при нагруже-
нии детали на длительную прочность?
5. Как определяется мера ресурса при малоцикловой усталое-
6. Что представляет собой осредненный полетный цикл?
циклических испытаний.
8. Как проверяется непробиваемость корпуса двигателя при
шьному термо-
метрированию, и как оно проводится?
10. Как оценивается работоспособность противообледенитель-
11. Какие показатели контролируются при проверке масляной
системы двигателя?
Глава 7. ИСПЫТАНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ВОЗДЕЙСТВИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ
НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
ностей организации рабочего процесса — потребления больших
ния с большой скоростью в атмосферу — непосредственно воздей-
ствуют на окружающую среду.
небольших территориях вблизи аэропортов и испытательных стан-
ций и проявляется в вцде загрязнения воздуха вредными компо-
нентами, образующимися в процессе сжигания топлива, и в вцде
ру загрязняющих веществ и уровня шума.
7.1. ВЫБРОСЫ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
двигателя-
азота (NO, NO2) — NO* ; частицы сажи и другие углеродистые ве-
щества, препятствующие прохождению света.
ва М( в граммах, выделившаяся за условный цикл взлетно-поса-
дочных операций, отнесенная к величине взлетной тяги двигателя
Р^ в кН при стандартных атмосферных условиях (Bq = 760 мм рт.ст„
То = 288 К, абсолютная влажность 0,00629 кг воды на кг воздуха):
ются при условном предположении, что они находятся в продуктах
сгорания в виде метана СН4 и в виде двуокиси азота NO2 .
Уровни выделений газообразных веществ не должны превы-
шать нормативных значений, указанных в табл. 7.2.1
Таблица 7.2
Вещество Удельная масса выброса , г/кН
М<1 М>1
Несгоревшие углеводороды 19,6 140 (О,92)^о
Окись углерода СО 118 «50(<0’-1’03
Окислы азота2 32 + 1.6<„ 36 + 2,42я‘о
На рис. 7.1 приведены графики изменения допустимых значе-
ления, т.е. степень повышения давления в компрессоре на взлет-
ном режиме при стандартных атмосферных условиях и скорости
полета, равной нулю.
Для двигателей с форсажем допускаются более высокие уровни
выдепений СО и СН. в особенности при небольших значениях л*0 .
Это связано с пониженными значениями коэффициента полноты
сгорания топлива в форсажной камере по сравнению с основной.
Уровни же выделений NOX близки, так как в форсажной камере
в основной камере, значений температуры горения локальных
Некоторое увеличение допустимых уровней выхода окислов
существенно увеличивается образование NOX , так как растут зна-
чения температуры за компрессором и, следовательно, максималь-
ставляет собой количество вещества i в граммах, выделившегося
каждом режиме работы двигателя, можно вычислить массу веще-
ства i за цикл:
сажевых частиц (рис. 7.2).
i стационаром наземном стенде, обо-
мерения выполняются на установившихся режимах при величи-
нах тяги, соответствующих условному циклу взлетно-посадоч-
ных операций. Кроме концентрации загрязняющих веществ в
выхлопных газах, на каждом режиме измеряются: тяга, массовый
расход топлива, частота вращения ротора, температура и давление
метра от входного устройства), давление 1
ройства).
Точки отбора проб распределяются равномерно между четырь-
мя секторами выходного сечения реактивного сопла, образованны-
ми двумя взаимно перпендикулярными диаметрами. Расположе-
и
! превыша-
далах 145...175'С. Магистраль изготавливается из коррозионно-
Система состоит из поде:
пых для измерения
мы входят необходимые устройства для регулирования расхода
газа, поддерживания определенной температуры пробы и измере-
Остановимся кратко на принципах действия приборов, реко-
мендованных ГОСТом, для измерения концентраций отдельных
компонентов. Для измерения общего содержания углеводородов в
водородов газ :
нальный расходу углеводородов через пламя. По результатам из-
мерения ионизационного тока определяется концентрация сгорев-
Действие приборов, предназначенных для измерения концент-
раций СО и СО2 , основано на принципе поглощения инфракрасного
излучения в параллельных элементах, заполненных эталонным
(нулевым) и отобранным газом. При измерениях необходимо обес-
измерений для СО — 0...2.5 -10 3, а для СО2 — 0...5 • 10“ 1 2 объ-
емных долей.
ду хемилюминесценции,
ся, кроме NO, также и NO2 , то проба газа пропускается через кон-
вертер, в котором NO2 преобразуется в NO. Содержание NO из-
меряется перед конвертером и за ним. Содержание NO2 определя-
1 -10 3 объемных долей.
К точности измерений предъявляются весьма высокие требо-
ная погрешность ±1%; изменение выходного сигнала в течение
шкалы используемого диапазона показаний).
эров на нуль с использованием “нулевого
инальных показаний приборов (90 % всего
) с помощью газов соответствующей концент-
Наиболее распространены пламенно-ионизационный детектор
выше) и детектор по теплопроводности. Работа последнего ос-
ния злектрического тока нити в зависимости от теплопроводности
Современные хроматографы строятся по блочно-модульному
тикам и аналитическим возможностям хроматографы (модели) со-
ставлять из ограниченного набора функциональных блоков и
узлов (модулей), выполняющих следующие функции: управление
газовыми потоками; подготовку и введение проб; хроматографи-
ческое разделение; термостатирование колонок, дозаторов и детек-
торов; детектирование; измерение; преобразование, обработку и
света от специального бумажного фильтра
через единицу его площади определенной
ов (16,2 кг/м2). При измерениях пробоотбор-
телем, должны удовлетворять практи-
чески тем же требованиям, что и при оп-
фнльтродержателя должна поддержи-
ваться при 60... 175"С. Геометрия внут-
реннего канала фнльтродержателя при-
5
й
Для намерения объема пробы, про-
водящей через фильтр, используется
внутреннего канала
фнльтродержателя
ления коэффициента отражения сажевого пятна pD применяют-
ся фотометры. При измерениях диаметр светового луча должен со-
ставлять от 0,J до 0,5 диаметра сажевого пятна на фильтре. Значе-
р^ — коэффициенты отражения данного фильтра после и до про-
пускания через него пробы газа.
грева) должна быть проверена на герметичность и чистоту. Для
9 полностью открываются. Включается вакуумный насос, и спустя
1 мин производится измерение расхода. Система считается гер-
метичной, если в течение 5 мин через расходомер пройдет не
Проверка чистоты системы осуществляется путем прокачки
50 кг/м2, после предварительного заполнения им всей системы в
течение 5 мин. Если измеренное после этого значение pD не превы-
шает 3, то система считается достаточно чистой.
режиме. При этом значение массы анализируемых газов Мг долж-
но составлять 12...21 кг на квадратный метр площади F фильтра
Для каждого режима по результ
ся значение pD , соответствующее величине S = 16,2 кг/м2. Это зна-
чение принимается за параметр выброса сажи Dp на данном режи-
ме работы двигателя. За параметр выброса сажи для данного дви-
гателя D принимается максимальное значение Dp , измеренное во
всем диапазоне изменения режимов работы двигателя от малого
По измеренным значениям объемных концентраций вычисля-
ются индексы выброса отдельных загрязняющих веществ It, а
затем производится приведение их к стандартным атмосферным
камеры сгорания S2 = —г-5----5---------, так как этот параметр
p'-g exp (Тк /300) VK
оказывает определяющее влияние на полноту сгорания топлива и,
следовательно, на выход Сх и СО. Для этого строят зависимос-
ти 7СЖ Не = Л42) и *00 = а также зависимость Ппр = ftPnp). Сна-
щие значениям приведенной тяги, указанным в условном цикле
определяют приведенные значения 1С н и 1СО .
Здесь рк и Тк — давление и температура воздуха на входе в ка-
меру сгорания соответственно; VK — объем ее жаровой трубы.
При приведении индекса выброса NOX необходимо учитывать
отличие значений рк и Тк , а также объемного влагосодержания
воздуха Лв от значений, соответствующих стандартным условиям
JNOx пр - 7NOx ЯТк) •
Экспериментально установлено, что fx(pK) = |рк пр /ркV ;
4<йв> = exp (19(йв - 0,00629)). Учет же влияния Тк осуществляет-
ся графически по результатам измерений, выполненных на ис-
следуемом двигателе. Для этого сначала строится график зави-
симости 4,0, „Р = • гае /„о, »Р = 4ю (/к.пр ехр (1ЭД.В -
- 0,00629)), затем с использованием этого графика по значению
Гк.пр • соответствующей каждому режиму взлетно-посадочного
= f(PVJ), необходимый для определения GT npi для каждого харак-
терного режима работы двигателя.
Для каждого загрязняющего вещества j суимартя масса вы-
броса Mj вычисляется про формуле
M/ = 60S ljnpl Ст.„р! «!
Соответствие двигателя данного типа нормам выбросов загряз-
число экземпляров двигателя, но испытаний должно быть прове-
низкокачественном из тех, которые ।
Для каждого испытанного образца двигателя вычисляют сред-
нее арифметическое значение М( по всем проведенным испытани-
ям. Окончательно нормируемые значения Сию, определяются с
число испытанных экземпляров двигателей, разброс характерис-
тик выбросов от образца к образцу, а также изменение этих харак-
монта двигателя.
лей. Серьезными источниками загрязнения атмосферы являются
также экспериментальные стенды, на которых испытываются га-
зотурбинные двигатели. Так, при сжигании 1000 т топлива во
время стендовых испытаний двигателя в среднем образуется около
11 т окислов азота, примерно 7,2 т несгоревших углеводородов.
мосферы вносят окислы азота, так как значение предельно допус-
тимой концентрации (ПДК) для них существенно меньше, чем для
других веществ: ПДК^ =0,085 мг/м3; ПДКС0=5 мг/м3;
249
ряда технических и организационных мероприя-
— применение насадков вертикального выхлопа вместо насад-
ков, у которых выхлопные газы направляются в атмосферу гори-
— увеличение высоты выхлопных шахт;
скорости :
газов от окислов азота (например, восста
при наличии катализатора);
— сокращение времени испытаний (
ства сжигаемого топлива) путем совершс______________________
ний с широким применением ЭВМ.
7.2. АВИАЦИОННЫЙ ШУМ
ающих структуру шума и свойства
Сила звука определяется уровнем акустической (звуковой)
Уровень звуковой мощности в децибеллах Lw = 10 In (W/Wq),
ая величина, принятая для сравнения и являющаяся на-
Звуковое давление — избыточное по отношению к атмосфер-
«у среднестатистическое давление, порождаемое звуковыми
0)°’5, где J3
ределенных полосах частот, выделяемых с площадью частотных
L = 20 1g (рзв /рзв0) = 10 1g (JaB /Jafi0) ,
где JsbO = 10 12 Вт/м2 и рзв0 = 2-10 5 Па — минимальные значе-
ния интенсивности звука и звукового давления, соответствующие
порогу слышимости. Из формулы видно, что увеличение уровня
звукового давления примерно на 3 дБ означает удвоение силы
звука. Верхний, “болевой” порог восприятия звука ухом человека
зависит от частоты звука и соответствует ~ 100 Вт/м2 или L - 140 дБ.
При шуме более 80 дБ рекомендуется использовать защиту орга-
влияние конечных размеров и форм излучателя звука на характе-
i воздухом,
I и др.) Из
Спектр шума — распределение уровня интенсивности звука
от 16 до 2 - 104 Гц. При определении спектра шума двигателя весь
диапазон частот разделяют на отдельные полосы, соответствую-
щие октаве или ее 1/3. Октавой называется интервал между час-
тотами, различающимися в два раза: f2 = 2/х . Для 1/3 октавы со-
отношение между конечной частотой полосы и начальной будет
= ViT /х = 1,26 / j . В качестве стандартного используется 1/3-ок-
251
включающий 24 полосы. Измеряют средние уровни звукового дав-
ления в каждой отдельной частотной полосе, относя их к средне-
двигателя (рис. 7.8), имеющие, как правило, непрерывную основу
(широкополосный или “белый” шум) 1 с наложенными на нее пи-
ками интенсивности 2 в области средних частот, связанными с ра-
ботой лопаточных машин (дискретные составляющие или тональ-
ный шум). Общий уровень звукового давления равен сумме отно-
сительных величин силы звука в каждой из п рассматриваемых
и L = 90 дБ, несмотря на то,
из 24 полос стандартного
давления L согласно графи-
1/3-октавного спектра уровня зву!
кам, аналогичным приведенным . . . ..
воспринимаемой шумности в отдельных полосах спектра PN^ , а
затем уровень суммарной воспринимаемой шумности по формуле
звукового давления L на кривых
= 0.8SPWLmax + 0.15 £ PNL, , где PNLmx — наибольшая иа
шума на IvPN дБ физиологически со-
Система EPNL используется для
нормирования максимально допусти-
мых уровней авиационного шума на
щего действия.
Продолжительность воздействия
и дискретные составляющие шума со-
вместно с частотным составом шума
учитываются системой оценки EPNL,
в которой эффективный уровень вос-
принимаемого шума выражается в
посадке подвергаются значитель-
наоора высоты или посадки, режимов использования
Основной источник авиационного шума — двигатель.
полосы аэродрома. Например, обычный уро-
городского шума в промышленном районе с интенсивным
Глава 8. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИИ
И ЗАДАЧИ ДОВОДКИ УЗЛОВ ДВИГАТЕЛЯ
8.1. ЗНАЧЕНИЕ ПОУЗЛОВЪЙ ДОВОДКИ
В МЕТОДОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ
создание новых двигателей, поскольку экспериментальная отра-
ботка различных узлов может вестись параллельно, а благодаря
большей мобильности и информативности таких испытаний на
ранних стадиях разработки могут быть выявлены и устранены не-
достатки конструкции. Это позволяет достичь высокой степени
Для обеспечения технической эффективности поузловой до-
водки, т.е. сходимости результатов испытаний узлов, проведен-
ных на специальных стендах, с результатами эксплуатации их в
системе двигателя (идентичность характеристик; механических и
тепловых нагрузок и т. д.), необходимо достаточно точное воспро-
изведение граничных условий, характерных для работы данного
узла в реальных условиях эксплуатации.
пых затрат. В ряде случаев эти затраты могут быть снижены
на следующие группы:
1) установки для испытаний полноразмерных узлов (компрес-
соров, турбин, камер сгорания и т. д.);
2) установки для испытаний моделей узлов и их элементов;
3) установки для доводки узлов и их деталей на прочность и
ресурс;
4) установки общего назначения, необходимые для исследова-
ния конструктивной прочности деталей, испытаний различных аг-
регатов двигателей, подшипников, токосъемных устройств и др.
Ниже дается краткая характеристика наиболее распростра-
8.2. ИСПЫТАНИЯ АВИАЦИОННЫХ
ЛОПАТОЧНЫХ МАШИН
В связи с большими значениями мощностей, потребляемых
или развиваемых лопаточными машинами в реальных условиях
ниями рабочих параметров — темпе
газа — часто необходимым условием :
ния, основанных на теории подобия.
Для рабочего процесса лопаточных машин основными крите-
риями подобия являются числа М по абсолютной Мс и окружной
Мы скоростям и число Re. Обязательным при этом является соблю-
дение геометрического и кинематического подобия.
выполнить в полном объеме указанные условия моделирования.
натурных условиях.
связывающие параметры рабочего процесса натуры
ния для расходов G рабочего тела и потребных мощностей N при-
вода (или тормозного устройства) в натурных и модельных услови-
ях (индексы “н” и “м” соответственно):
261
— масштаб моделирования; Ц — коэффициент вяз-
кости; R — газовая постоянная; I — характерный размер (обычно
хорда лопатки); Re = pcZ/g; с — скорость на входе (компрессор)
или на выходе (турбина) из рабочего колеса.
Как следует из приведенных соотношений, при испытании
уменьшенных моделей потребные значения G н N существенно
нения постоянных значений числ
случаях, когда значение Re > ReK
ению с натурными ус-
ичиваются тем, что
[ установки.
щем большую молекулярную массу (или малое значение газовой
постоянной й), то даже при сохранении значения числа Re для мо-
дели и натуры можно получить заметное уменьшение потребной
мощности.
Изложенные соображения по моделированию лопаточных
ши». Основной задачей подобных исследований является опреде-
ление потерь полного давления, а также углов выхода потока из
методов расчета и для их уточнения. Например,
ых решеток определение параметров потока осу-
При продувках реше
: турбин в задачи иссле-
; течений также определение эффективности системы ох-
паждения и теплового состояния лопаток.
Простота установок и методики эксперимента, невысокие
зжных лопаточных венцов для оперативной проверки меро-
иятий по снижению потерь, для снятия сравнительных характе-
гтик различных экземпляров колес перед их установкой на дви-
3 — слив пограничного слоя; 4 — исследуемая решетка;
5 — рабочая часть установки; 6 — штуцеры для ввода
измерительных насадков; 7 — выходная часть установки
Рис. 8.2. Схема установки для продувки кольцевых решеток:
3 — измерительный зонд; 4 — спрямляющие лопатки;
5 — координатник; 6 — поворотное устройство
В проточной части установки перед экспериментальной решет-
вые (камеры сгорания) для повышения температуры рабочего тела
при исследовании лопаток турбин или для предотвращения кон-
измеряются значения
выходе из решетки.
[ боковых стенок. Измег
вычисляются значения коэффициента потерь
ределенное по осредненным по площади (или по другим парамет-
рам) экспериментальным значениям полного pgCp и статического
ляет исследовать характеристики компрессора, но на ряде режи-
и дэформаций лопаток (в частности, к из-
|прессорной станции. В случае, если давление на выходе из ком-
прессора должно быть ниже атмосферного, для отсоса воздуха не-
туры и давления при входе можно производить на стендах с зам-
кнутым контуром (рис. 8.4). Компрессор помещается в барокамеру
выброса в атмосферу. Для поддержания заданной температуры и
давления на входе в компрессор предназначены газоохладитель 7
и дроссель 6. Перед началом работы давление воедуха в контуре
может быть снижено (имитация больших высот) из-за вакуумиро-
вания или повышено (имитация больших скоростей полета) путем
4 — газосборник;.
мощным энергетическим оборудованием (электродвигатели мощ-
ностью несколько мегаватт с регулируемой частотой вращения,
турбовальные двигатели, паровые и газовые турбины).
При снятии характеристик компрессора необходимо опреде-
лять расход воздуха GB , степень повышения давления л* = -
--у—(внутренний изоэнтропический КПД). Здесь
КПД <
изоэнтропическая работа сжатия
по параметрам торможения; L* — действительная работа компрес-
на входе (см. рис. 8.3). Возможно применение стандартных сопл и
диафрагм.
Для измерения параметров потока на входе и выходе из ком-
полного давления. Статические давления измеряются чаще всего
путем дренирования корпуса в нескольких местах по окружности.
Действительная работа компрессора LK может определять-
затрачиваемой на вращение компрессора LK = NK /GB .
вращения п и крутящего момента Мкр : NK = ппМкр /30.
Здесь Пуд — механический КПД трансмиссии (мультиплика-
тор, промежуточные подшипники и т.д.). Для измерения значе-
ний Мкр применяются балансирные подвесы электродвигателей
также пульсации давлений или скорости по его проточной части.
О потере устойчивости течения (возникновении помпажа) свиде-
тельствует резкое увеличение амплитуды пульсаций. Граница ус-
тойчивости определяется по параметрам режима, ближайшего к
режимам, на которых проявляется неустойчивость. Для определе-
ния прочностных характеристик производится тензометрирование
следующим образом. Устанавливается некоторая частота враще-
ния п (или Ппр) и при поддержании п = const производятся изме-
рения при различных значениях GB , величина которого изменяет-
ся дросселем 4 (см. рис. 8.3).
Затем такие же измерения выполняются при других значени-
ях п. Полученные таким образом напорные ветви образуют поле
характеристик, которое сверху ограничено линией границы устой-
чивости течения (линия помпажа), а снизу — линией запирания
Испытания турбин. При автономных испытаниях турбин ос-
дование прочности и теплового состояния лопаток и дисков.
Реализация на автономном стенде рабочих условий турбин
подогрев газа осуществляется в камере сгорания 4. Мощность тур-
бины поглощается гидротормозом 1 (возможно применение для
этих целей электрических генераторов и компрессоров). В отличие
от испытаний в системе двигателя, когда характеристика турбины
может быть получена практически только вдоль линии рабочих
режимов (см. гл. 5), на автономном стенде реализуется все поле
чения параметров на входе, а
: турбины регули-
ления rasa перед турбиной и за ней будут превышать атмосфер-
ные, и после выхода из турбины газ может выбрасываться в атмо-
наддувом отличается наибольшими техническими
го стенда представлена на рис. 8.6. Воздух в проточную часть стен-
да поступает непосредственно из атмосферы через входное устрой-
ство 1, за турбиной создается разрежение с помощью эксгаустера
или эжектора. Мощность турбины 4 поглощается гидротормозом
3. Испытания могут проводиться как при повышенных, так и при
пониженных температурах на входе. Режимы испытаний выбира-
ются с учетом положений теории подобия, рассмотренных выше.
Испытания
теристики
натурным ус-
зволяют существенно снизить затраты энергии на привод эксгаус-
При определении характеристик турбин выполняются измере-
биной, NT , а также угла выхода потока из турбины ат . Применя-
ются такие же методы измерений, как при испытаниях компрес-
соров. В частности, значение NT определяется, как правило, по из-
меренным значениям п и крутящего момента Мкр , причем для
измерения последнего используются гидротормоза с качающейся
установкой корпуса (см. гл. 4).
— относительная приведенная частота вра-
— относительный параметр рас-
п иидцер-
зли компрессора и положения дросселя.
R3 ИСПЫТАНИЯ КАМЕР СГОРАНИЯ
можно разделить на
также большим числом
ы для исследования камер сгорания
1) модельные установки для исследования элементов камер
отдельных вопросов организации их рабочего процесса;
2) стенды для исследования отсеков камер сгорания;
3) стенды для исследования полноразмерных камер сгора-
На модельных установках в основном исследуются принципи-
ные вопросы организации рабочего процесса, необходимые для
кие потери) могут исследоваться при пониженных по сравнению с
рабочими давлениях и температурах воздуха (близких к атмо-
Вопросы же, связанные с протеканием процессов горения (вос-
пламенение горючей смеси, интенсивность сгорания топлива, вы-
деление загрязняющих веществ, излучение пламени и др.), требу-
ют приближения условий модельного эксперимента к рабочим.
Многие задачи организации рабочего процесса и исследования
сгорания (главным образом основных). Отсек представляет собой
часть — сектор (60‘...90') — полноразмерной камеры. Для испыта-
ний отсека требуются меньшие расходы воздуха, упрощаются из-
мерения, снижаются трудозатраты при внесении изменений в кон-
струкцию и при монтажных работах.
Окончательно характеристики камер сгорания определяются
и доводятся при испытаниях полноразмерных камер. К таким ха-
рактеристикам относятся:
• изменение значений коэффициента полноты сгорания топли-
ва и индексов выброса загрязняющих веществ (для основных
камер сгорания) в зависимости от значения коэффициента избыт-
i камере при различных значени-
• значения козффициентов восстановления полного давления
(или гидравлических потерь) на характерных режимах;
• тепловое состояние элементов камеры сгорания на наиболее
> радиальная и окружная неравномерность полей температур
секов является получение требуемых характеристик камеры сго-
рания по полноте сгорания топлива и содержанию загрязняющих
веществ в выхлопных газах, удовлетворительных срывных и пус-
пения и температуры элементов камеры сгорания. На отсеке
274
могут быть получены предварительные данные о форме радиаль-
ной эпюры и окружной неравномерности температур в выходном
сечении камеры.
Схема стенда для ис
ков камер сгорания пред-
в выхлопную шахту. Стенды для испытаний отсеков могут осна-
щаться специальным оборудованием (подогреватели или охлади-
тели воздуха, эжекторы и др-), предназначенным для обеспечения
испытаний при повышенных и пониженных значениях р’ и Т* .
I — подводящий воздухопровод; 2 — ресивер;
3 — испытуемый отсек; 4 — мерный участок;
5 — выходной дроссель
углекислым газом.
275
Пр поле ti ратурь ва и со В< цесса. По I стенок жаровых труб. Отбираются пробы газа в выходном держания загрязняющих веществ (методики отбора и хими- угдельных случаях могут измеряться значения полного и еского давлении в кольцевых каналах и статических давле- каровой трубе в различных сечениях по длине камеры сго- значения лучистых потоков тепла от газов и другие пара- , необходимые для более глубокого изучения рабочего про- результатам измерений рассчитываются коэффициенты
восста! яовления полного давления G*.c = р* /р* , гидравлических
п IT .pi ь = — z(Pk ск )» полноты сгорания топлива
76
На отсеках определяются также срывные и пусковые характе-
:тики камер сгорания - изменение значений коэффициента из-
яие смеси в камере в зависимос-
проводятся при значениях режимных парамет-
ующих различным условиям эксплуатации. Так,
окиси углерода СО и несгоревших углеводородов Сх
осуществляется, как правило, при значениях р* и
по выбросам NOX — при повышенных значениях 7^ (до 800...900 К),
а по дымлению — при повышенных давлениях (до
10... 15 - 105 Па). Пусковые характеристики камеры определяют-
ся в условиях, характерных для высотного запуска
Для более точного определения характеристик производятся
задач при этом является иссл<
выходном сечении, которые <
на условия работы турбины.
скольку в условиях отсека
мерной камеры. Хотя устройство экспериментальных стендов
для испытаний полноразмерных камер сгорания в принципе
аналогично устройству стендов для испытаний отсеков, оно отли-
чается большой конструктивной сложностью и большими габарит-
ными размерами.
Так, для определения полей температур, давлений и состава
газа используются достаточно сложные, оснащенные системой ох-
ивающие перемещение гре-
ши и газовых проб по всей
: большими расходами воз-
сти в обеспечении высоких
температур в выходном сечении при пониженных значениях Т*
вместо (20...25) 105 Па), но при рабочих значениях коэффици-
ента избытка воздуха и скоростей течения. Температура газа на
облегчает измерения, а с уменьшением р* уменьшаются потребные
расходы воздуха и, следовательно, энергетические затраты.
Исследования показывают, что измеренные при этом поля
температур, будучи представленными в безразмерном виде (вмес-
то абсолютных значений местных температур 7? необходимо ис-
равномерность температурного поля
значение которой, как правило, не должно превышать 0,25—0,3.
форсажных камер и прямоточных камер сгорания (ПВРД) в основ-
новных камер сгорания (исключая исследования полей темпера-
Ьажных камер ТРДФ на входе в камеру подогрев воздуха осущест-
вляется путем сжигания топлива (газовый подогреватель). В слу-
чае камеры сгорания ТРДДФ дополнительно подводится воздух,
278
имитирующий поток внешнего контура. Подогрев его происходит
в теплообменнике.
Специфическими вопросами исследования и доводки прямо-
точных камер сгорания являются обеспечение высоких значе-
ний Т]г при составах смеси, близких к стехиометрическим
(«е = 1,1... 1,2), и предотвращение вибрационного горения. Для
получения высоких значений Т)г необходимо тщательное распреде-
устройством (три-четыре коллектора). При этом целесообразно
роким диапазоном изменения частот и амплитуд. Поэтому в этом
случае тщательно контролируются динамические характеристики
целью выявления и устранения отрывных гон и нестабильностей
Большие технические и методические трудности возникают
при исследовании камер сгорания ПВРД со сжиганием топлива
тальной установки в этом случае должно обеспечиваться тече-
ние газа с числами М = 1,5...2,5 при температуре торможения
Т* = 1500...3000 К.
дуговые, теплообменники регенеративного типа. Применяется
также подогрев путем сжигания топлива с последующим подво-
дом в поток кислорода для восстановления его содержания до кон-
центраций, соответствующих воздуху. Большую сложность пред-
279
Глава Р. ИСПЫТАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ
УСТАНОВОК, СОЗДАВАЕМЫХ НА ОСНОВЕ
АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
телей позволяют снизить затраты времени и средств иа транспор-
тировку, монтаж, ввод в эксплуатацию, ремонт и замену деталей,
магистралей.
Высокие показатели надежности и КПД авиационных ГТД без
земных установках.
Энергетические установки авиационного •.
i обладают также
выхода двигателя на рабочие режимы; адаптировашюсть к изме-
нению внешних условий; высокая степень эксплуатационной тех-
Возможна унификация конвертированных двигателей для
Принципиальная схема конвертированного двигателя форми-
руется с максимальным использованием узлов и деталей двигате-
разработку.
Вместе с тем при конвертировании авиационных двигателей
возникает ряд проблем, на решение которых необходимо обращать
особое внимание при проектировании и доводке создаваемых ГТУ.
— обеспечение заданной величины ресурса, характерного для
стационарных ГТУ (не менее 50 тыс. часов), при высокой надеж-
ности работы двигателя и его систем;
— совершенствование камеры сгорания с целью удовлетворе-
ния заданным нормам по выбросам загрязняющих веществ;
— создание новой системы автоматического управления, обес-
печивающей безотказную работу двигателя в широком диапазоне
изменения режимов и условий эксплуатации;
— оснащение установки высокоразвитой системой параметри-
ческой и инструментальной диагностики;
двигателя являются следующие.
Существенно уменьшается расход воздуха во второй контур
путем подрезки лопаток компрессора низкого давления и разра-
ботки нового наружного корпуса. При этом ротор высокого давле-
ния и отработанная силовая схема двигателя остаются без измене-
ника, если он имеется в системе охлаждения турбг
тора, обеспечить оптимальное изменение радиал!
а. Переоборудованный таким образом ГТД является
гуры газа перед турбиной га-
аниого ресурса.
Создается новая система автоматиче
Несмотря на большую преемственность конструкции ГТД пр
плуатационных испытаний, наиболее важные особенности, кото-
нанболее широко распространено.
9.1. ВИДЫ И НАЗНАЧЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ
СТАЦИОНАРНЫХ ГТУ
— доводочные (научно-исследовательские);
иые приемочные;
При серийном производстве проводятся приемосдаточные и
периодические испытания.
— получение заданных значений мощности и КПД;
— обеспечение необходимого ресурса и надежности;
В процессе экспер!
дований могут испыт:
специальных стендах
эры как с
(например.
технической задачей при стендовых испытаниях ГТУ является по-
глощение мощности силовой турбины, так как величина мощнос-
доводке распространены испытания газогенератора бее силовой
1Я мощности. В последнем
пониженных режимах ра-
ных режимах, оцениваются характеристики отдельных узлов, из-
более ответственных деталей.
тому проведение таких испытаний различных вариантов камеры
сгорания является необходимым условием ее окончательной до-
водки, несмотря на то, что большой объем доводочных работ по
камере проводится на автономных камерных стендах, где, как
правило, не удается обеспечить в полном объеме реальные условия
100 тыс. часов).
составе наземной энергетической установки. Если в первом случае
основным видом нагружения деталей, определяющих ресурс, яв-
ляется, главным образом, циклическое нагружение, реализую-
ному нагружению большой длительности в условиях пониженных
температур и нагрузок. Если в первом случае задача обеспечения
ресурса двигателя в основном сводилась к разработке мероприя-
тий, направленных на повышение сопротивления мадоцикловой
усталости основных деталей, то во втором случае для стационар-
ной ГТУ основное внимание уделяется обеспечению заданных ха-
коррозионной стойкости. Указанные обстоятельства делают
(можным проведение полномасштабных стендо-
эквивалентно-циклических ресурсных испыта-
вых длительных :
ний как всей ГТУ, так и отдельных ее узлов.
электростанциях — в процессе эксплуатационных испытаний.
При этом применяется стандартное промышленное оборудование,
а получаемая энергия может быть использована по прямому на-
позволяют получить информацию для дальнейшего совершенство*
Важное значение при экспериментальной отработке опытных
ГТУ имеют также автономные испытания их узлов. Так, широко
распространены автономные испытания как полноразмерной ка-
меры сгорания, так и ее элементов (форсунок, одногорелочных мо-
элементов конструкции
автономных испытаниях элементов обеспечивается возможность
определения их различных характеристик в широком диапазоне
изменения определяющих параметров. За счет существенного
ние опытных образцов и их испытания коренным образом повы-
ле и межведомственные приемочные испьь
Целью предварительных испытаний является определение
ты оцениваются комиссией, назначаемой приказом по предпри-
миссии, в состав которой входят представители разработчика, из-
готовителя и заказчика (могут также включаться представители
научно-исследовательских институтов и органов государственного
процессе предварительных испытаний с участием представителей
заказчика.
Испытания проводятся на опытных стендах, полигонах или
промышленных предприятиях, на которых обеспечивается воз-
можность реализации полного объема эксплуатационных режи-
мов и состав оборудования соответствует эксплуатационным усло-
Так, при работе ГТУ в составе газоперекачивающего агрегата
(ГПА) испытываемый комплекс, кроме ГТУ, должен включать ва-
ние, специнструмент и ремонтную оснастку. Прог
ные, но и предельные значения изменения внешних условий и
внутренних факторов (в пределах, предусмотренных ТУ) и наибо-
лее неблагоприятные их сочетания, возможные в пределах эксплу-
Приемочные испытания разделяются на следующие этапы:
— подготовка к испытаниям;
— определение основных показателей и характеристик ГТУ и
нагнетателя;
ты, контроля и управления;
— испытания вспомогательных систем и устройств;
В процессе подготовки к испытаниям приемочная комиссия
опытно-исследовательских работ и результаты предваритель-
водится на всех основных режимах (0,25; 0,5; 0,75; 1,0; 1,1; 1,2
номинальной мощности). Пусковые характеристики проверяются
КПД, расхода топлива, параметров рабочего процесса, а также
Особое внимание уделяется испытаниям системы автоматичес-
кого регулирования, защиты, контроля и управления. Проверяет-
ных устройств, статические и некоторые динамические характе-
Проводятся испытания вспомогательных систем и устройств,
таких, как система охлаждения масла, система уплотнения газа в
нагнетателе, система очистки воздуха на входе в ГТУ и др.
Определяются экологические характеристики ГТУ: количест-
Для проверки эксплуатационной надежности воспроизводятся
печивается работа на форсированных стационарных режимах с по-
вышенными параметрами. Производится искусственное запыле-
кие работы в соответствии с инструкцией по эксплуатации и тех-
ническому обслуживанию.
Эксплуатационные испытания. Задачами эксплуатацион-
ных испытаний являются:
— контроль стабильности основных характеристик в течение
— проверка эффективности системы техобслуживания и ре-
Испытания, как правило, проводятся на действующих про-
мышленных объектах.
рительные устройства.
атации организуется сбор эксплуатационной информации. Резуль-
таты ее анализа периодически (например, один раз в полгода)
ристик (в начале испытаний, после наработки 6 тыс. часов, до ре-
монтного обслуживания и после него при наработке 12 тыс. часов)
путем определения мощности и КПД, вибрационного состояния,
ного контроля утечек воздуха, продуктов сгорания, масла и газа,
а также плановые (и внеплановые) операции технического обслу-
На заключительном этапе эксплуатационных испытаний (на-
работка 15 тыс. часов) производится ремонтное обслуживание в
соответствии с инструкцией по ремонту. По результатам техобслу-
живания, ремонта и послеремонтных испытаний составляется
протокол, в котором оценивается ремонтопригодность ГТУ.
По отдельным этапам испытаний составляются отчеты, прото-
колы и акты испытаний, передаваемые комиссии по проведению
испытаний. После окончания испытаний комиссия составляет за-
пытания выполняются в процессе серийного производства ГТУ.
Приемосдаточные испытания проходит на заводе изготовителе
грузки могут использоваться различные стендовые устройства.
Допускается также проведение испытаний без нагрузочного уст-
ройства при условии обеспечения с помощью стендовых техничес-
ких средств достижения максимальных рабочих частот вращения
использован ин ГТУ в составе газоперекачивающего агрегата дли-
тельность непрерывной работы под нагрузкой в процессе испыта-
ний должна быть не менее 72 часов.
бильности производства, а также для оценки эффективности меро-
приятий, направленных на совершенствование конструкции ГТУ.
ки при этом допускается проводить на различных ГТУ независимо
друг от друга.
9.2 МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ИСПЫТАНИЙ СТАЦИОНАРНЫХ ГТУ
конверсии авиационных двигателей новым топливом является
природный газ. Один из способов решения этой задачи состоит в
решением является обеспечение
ный газ) хранится в баллонах емкостью по 400 л при давлении
~ 25 МПа. Закачка газа в баллоны производится из городской га-
зовой системы с помощью высоконапорных малорасходных ком-
лонов через систему клапанов и трубопроводов подается к ГТУ под
давлением 2...3 МПа. При редуцировании давления происходит
существенное снижение температуры газа, что может приводить к
перебоям в работе топливорегулирующей аппаратуры. Поэтому в
В процессе эксплуатационных испытаний ГТУ работает в ком-
!ксе с промышленным оборудованием. Так, при работе на газо-
шрессорных станциях в состав этого оборудования входят:
— система подвода воздуха к ГТУ, включающая воздухоочис-
ельное устройство и противообледенительную систему;
1 ДР ВЗУ —J -J К «тт 1— ок 1— к Тк Рис. 9.2. Принципиальная схе испытаниях ЦБН — центробежный нагнетатель; G тг , 3 Стг GH — -5н С| ^Z| |гг| СТ —J— ЦБН Т1ст . ГТУ в составе ГПА: У ; — осевой компрессор; КС — камера сгорания; G в — расходы топливного и магистрального газа
НИЙ, исключающей попадание гааа из тракта нагнетателя в атмо-
— система охлаждения масла с автоматическим регулирова-
ту ГПА в течение определенного времени в случае выхода из строя
в которой может устанавливаться утили-
Газоперекачивающие агрегаты оборудуются электронными
системами автоматического регулирования, защиты, контроля и
управления, задачами которых являются не только управление
ных систем и в случае возникновения неполадок перевод ГТУ на
пониженные режимы работы или останов. Поэтому в эксплуата-
ции ГТУ оснащаются развитой штатной системой измерений (см.
меряются частоты вращения роторов ГТУ и силовой турбины,
параметры воздуха и топливного газа по тракту и их расходы,
уровни вибраций различных узлов. Тщательно контролируется ра-
параметров сигнализа-
> реальных эксплу*
наступления аварийных ситуаций, а также опр<
ных и экономических характеристик ГТУ и па
процесса в различных узлах.
Наименование параметра э^щитыГ,Измерения
Частота вращения роторов турбин Частота вращения ротора нагнетателя Частота вращения ротора пускового устройства Aj; И а15и А1
Наименование параметра Вид сигнализации.
Мощность на му<|>те ГТУ-нагнетатель Вибрация ГТУ и нагнетателя Температура масла смазки ГТУ и нагнетателя Уровень масла в маслобаках Давление топливного газа Давление пускового газа (отключен вентилятор отсоса, открыта дверь) А И; Пр Aj И;А1>2 И; П2; А2 И; Пр Ах И; Пр Ах И;П2 И; П2 И; П2; Аг И;А2 И; П2; Аг И И И; Щ И
мощность
i от ГТУ для работы противообледенительной системы мощность
В общем случае при испытаниях ГТУ с силовой турбиной и на-
грузкой для определения мощности необходимо измерение часто-
главе 2. Измерение кру-
или с использованием ба-
пансирного подвеса представляет достаточно сложную техничес-
Рассмотрим другие методы определения мощности, часто при-
При стендовых испытаниях ГТУ без силовой турбины (испы-
:ия газогенератора) мощность оценивается по результатам из-
। двигатель. Основная задача расчета
(т. е. перед силовой турбиной). Рассмотрим кратко характерный
порядок такого расчета.
Температура газа 7* определяется из уравнения теплового ба-
ланса, записанного для сечения у входа в ГТУ и сечения за турби-
Gr = GBr + GTr — расход газа за турбиной;
Свг ~ Св _ Цугб — расход воздуха через газогенератор за выче-
том расхода воздуха, отбираемого из тракта (Got6);
GTr , iTr — расход топливного газа и его удельная энтальпия;
Лг — коэффициент полноты сгорания в камере сгорания;
QK — низшая массовая теплота сгорания топливного газа.
Поскольку значение срг зависит от величины температуры Т* ,
Величина полного давления газа за турбиной определяется с
вых испытаниях газогенератора за его турбинок устанавливается
при перепадах давления, не сильно превышающих критическое
, = P/Gr и приведенное
на срезе сопла равно давлению в боксе (р6), можно найти значение
полного давления за турбиной р* = рб /л(Хс) .
Далее рассчитывается мощность Ne , которую имела бы сило-
Расчеты величин QM и iTr выполняются следующим образом.
Определяются значения
/(1,2044 d) ,
фи , Qu. — величины объемной низшей теплоты сгорания газа и
его t-го компонента, соответственно;
ветственно; х, — объемная доля i-ro компонента.
Значения QHi и df находятся по справочным данным.
Приближенно расчитывается величина = 2,3 - 273,15 К j.
Здесь 2,3 кДж/кг — средняя удельная теплоемкость топливного газа.
Во время эксплуатационных испытаний ГТУ в составе газопе-
муфте ГТУ определяется по мощности приводимого компрессора
— центробежного нагнетателя (ЦБН):
измеренным значениям расхода (GH) перекачиваемого газа и тем-
ператур (энтальпий) газа перед (TjK) и после (Т^н) нагнетателя:
механические потери в ЦБН; Nr — тепловые потери в
шипниках, насосах и других устройствах, способных привести к
потерям (отводу) энергии от ротора ЦБН. Механические потери эк-
вивалентны значениям механического КПД т)м = 0,995...0,985. Они
оцениваются расчетным путем по результатам специальных испы-
При натурных испытаниях на природном газе высокого давле-
ния тепловыми потерями можно пренебречь.
Допускается определ
: ГТУ в следующей форме:
где т)и — механический КПД ЦБН, включающий тепловые поте-
По полученной величине мощности вычисляются значения
процессе
кие показатели составных элементов (КПД турбомашин, сте-
пень регенерации, коэффициент полноты сгорания топлива в ка-
мере и Т.Д.).
Испытания проводятся на режимах, соответствующих 0,25;
0,5; 0,75; 1,0; 1,1; 1,2 номинальной мощности.
Результаты испытаний приводятся к стандартным атмосфер-
ным условиям (/н = 15’С; рн = 0,1013 МПа ) по формулам приведе-
ния, полученным на основе теории подобия (приведение по подо-
бию, см. гл. 5).
Большое внимание уделяется исследованию пусковых харак-
теристик ГТУ (газоперекачивающего агрегата). Время запуска
не должно превышать 25 минут без учета предпусковой подго-
Пусковые характеристики определяются при пусках из холод-
ного и горячего состояния. При этом учитывается, что остановлен-
ный агрегат может находиться в резерве или в горячем резерве.
Резерв — на агрегате выполнены и поддерживаются все предпус-
ковые условия, обеспечивающие запуск не позднее чем через два
гате выполнены и поддерживаются условия, которые обеспечива-
ют его немедленный запуск от кнопки пуск или по сигналу АСУ
компрессорной станции. Длительность нахождения в данном со-
стоянии до 30 суток.
При исследовании запуска фиксируются во времени частоты
пускового газов, а также параметры, характеризующие работу
прессорных станциях используется расширительная турбина (тур-
бодетандер), работающая на магистральном природном гаге. Одна
иг задач испытаний — определение суммарного расхода пускового
матического вентилирования с длительностью, достаточной для
воздушном тракте ГТУ, включая выхлопную трубу, после чего
только производится зажигание.
Основные моменты запуска: подача сигнала на пуск, зажига-
турбодетандера, отключение пусковых насосов.
9.4. ИСПЫТАНИЯ ПО ПРОВЕРКЕ РЕСУРСА
И НАДЕЖНОСТИ ГТУ
Одной из центральных проблем при создании конверсионного
двигателя наземного применения является обеспечение требуемо-
го большого ресурса и высокой надежности.
чений. Конструкция ГТУ должна предусматривать восст
номинальных показателей при капитальных ремонтах.
конвертации для наземного применения. Такой анализ позволяет
использовать данные, полученные при создании авиационного
видов нагрузок — статических напряжений (предел длительной
лических напряжений или деформаций од), динамических напря-
жений (предел выносливости О_ j). Необходимо, чтобы значение
интегрального коэффициента запаса каждой детали, рассчи-
танное исходя из условий эксплуатации и требуемого ресурса ста-
Величины коэффициентов запаса определяются на основе рас-
четов напряженно-деформированного состояния деталей двигате-
ля по методу конечных элементов.
Несмотря на всю важность применения в ходе проектирования
рассмотренного подхода, доводка по параметрам прочности и ре-
сурсу является необходимым этапом при создании стационарной
лежит определение так называемых факторов недостаточной проч-
ристик прочности при стендовых испытаниях ГТУ путем тензо-
метрирования и термометрирования его элементов, измерения
уровня вибраций узлов (вибрографирование), осмотра и дефекта-
)собое внимание уделяется тензометрированию лопаток ком-
зоров и турбин, а также исследованию общих вибраций двига-
. Повышенные значения динамических напряжений, наличие
ов и несовместимы с требованием обеспечения большого ре-
1. Высокий уровень общих вибраций двигателя вызывает
пытаний предусматривается
условиях, близких к эксплуа-
регата в процессе циклических испытаний осуществляется 80
автоматических пусков с выходом на номинальную нагрузку.
ной нагрузки. Одновременно выполняются пуски из холодного и
горячего состояния. Производится 10 неудавшихся пусков — пуск
прекращается нажатием кнопки аварийного останова после зажи-
на всех возможных режимах по частоте вращения роторов, чтобы
во всех лопатках было накоплено некоторое базовое число циклов
режимах при различных значениях мощности ГТУ, относительно-
частота вращения силовой турбины равна 1,05, максимальный
объемный расход газа нагнетателя, номинальное значение темпе-
ратуры масла;
то же самое, но минимальный расход газа нагнетателя;
относительное значение мощности равно 0,3, частота враще-
ния нагнетателя — 0,9, расход газа и температура масла — номи-
на льные;
температуры rasa перед турбиной ГТУ, температура масла равна
[зависеть от температуры окружающей среды.
ры воздуха перед компрессором могут устанавливаться рецирку-
ляцией выхлопных газов на вход компрессора.
прогоняется на <
эатуры газа перед тур-
ющности сверх номи-
щей наработки из расчета получить время испытаний 150—200
часов испытаний для этапа перед средним ремонтом и столько же
Б процессе испытаний искусственно воспроизводятся процес-
сы загрязнения — искусственно запыливается воздух перед ком-
прессором в количестве, равнозначном запыленности в межре-
монтный период. В качестве заменителей естественной пыли ис-
пользуется шлифзерно, шлифпорошки и микропорошки с разме-
до 20 мкм, 10% — от 20 до 100 мкм).
Б ходе испытаний выполняется очистка осевого компрессора
(20 раз) путем подачи на вход с помощью специального коллекто-
ра моющего раствора. Очистка может производиться как в процес-
Проводятся также плановые профилактические работы в соот-
ветствии с инструкцией по эксплуатации и техническому обслу-
живанию. В середине периода длительных испытаний может про-
время и трудозатраты на их выполнение.
Окончательно ресурс и надежность ГТУ выявляются в процес-
ся сбор и обработка эксплуатационной информации, результаты
оформляются в виде полугодовых и заключительного отчетов.
процессе испытаний контролировать техничес-
плуатации.
ты, контроля и управления. На эту систему возлагаются не только
функции обеспечения требуемых характеристик рабочего процес-
са ГТУ (заданная точность поддержания регулируемых парамет-
ров, требуемое качество переходных процессов), но и ограничение
отказобезопасность и отказоустойчивость самой системы автома-
тического управления. То есть любой отказ в САУ не должен при-
водить к выходу параметров ГТУ за ограничения и должен пари-
роваться любой первый отказ САУ, в том числе должна быть обес-
печена возможность продолжения работы двигателя при частич-
ной потере информации и управления.
Из-за многообразия и важности выполняемых функций боль-
шое внимание уделяется испытаниям и отладке САУ как при раз-
работке, так и при производстве и эксплуатации ГТУ.
устройств защиты —
топливного газа, по превышению температуры подшипников и
максимально допустимого уровня вибраций. На неработающем аг-
регате проверяются защиты от осевого сдвига роторов
9.5. ИСПЫТАНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ ГТУ
ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ
ТРЕБОВАНИЙ
К экологическим характеристикам ГТУ в первую очередь от-
носятся выбросы загрязняющих веществ и уровень шума.
Выбросы загрязняющих веществ могут быть причиной суще-
ственных трудностей при конвертровании авиационных двигате-
лей, поскольку достигнутый в авиации уровень, как правило, не
может удовлетворить все ужесточающимся требованиям, предъяв-
ляемым к стационарным ГТУ. Для решения данной проблемы
может возникнуть необходимость разработки новой камеры сгора-
ния, а не только перевод существующей камеры с жидкого топ-
объем испытаний камеры и ее элементов, однако оконча-
при испытаниях полноразмерных ГТУ, поскольку только в этом
случае обеспечиваются реальные условия для протекания процес-
Для стационарных ГТУ нормируются выбросы окиси углерода
(СО) и оксидов азота (NOX). В настоящее время уровень выбросов
этих веществ в большинстве случаев не должен превышать 50 мг/м3
и кислорода равной 15%. Б отдель-
конкретными условиями примене-
природного гаэа это в основном метан СН4),как правило, находит-
ся в пределах точности измерений и не нормируется. Это же отно-
сится и к концентрации ангидрида серы SO2, поскольку природ-
ный газ, перекачиваемый по трубопроводам, практически не со-
Во время эксплуатации ГТУ на промышленных предприятиях
периодически контролируется содержание загрязняющих веществ
вблизи центра сечения в начале :
практике измерений нашли достаточно широкое применение газо-
анализаторы фирмы Тестотерм (Германия), не требующие частых
градуировок и обладающие достаточно высокой точностью (напри-
мер, Тесто 350). Газоанализатор содержит несколько электрохи-
системы из нескольких электродов, включаемых в измерительную
цепь. При контакте газа с электролитом изменяются электричес-
кие свойства последнего (проводимость, электрический заряд, со-
противление и т. д«), и в измерительной цепи формируется сигнал
измерительной информации, пропорциональный измеряемой кон-
центрации данного вещества.
При исследованиях вредных выбросов ГТУ в уходящих газах
измеряются концентрации оксидов азота NO* (включая соотноше-
ние оксида NO и диоксида NO2). оксида углерода СО в миллион-
ных объемных долях — ррт-, кислорода О2, диоксида углерода
температура продуктов сгорания перед и за силовой турбиной;
частоты вращения роторов.
Измерения выполняются на нескольких установившихся ре-
жимах (не менее трех) в диапазоне нагрузок от 60...70% до макси-
мальвой. Точность измерений параметров режима :
продуктов сгорания (или отношение концентраций загрязняющих
веществ во влажных и сухих продуктах сгорания) определяются
коэффициентом
где ав - GB /(GTr - Lo) — коэффициент избытка воздуха; GB , GTr —
минимальное количество воздуха для сжигания 1 кг газа.
Для природного газа можно использовать корелляционную за-
Lo = /2900 .
по объемному (% ) содержанию кислорода (О2) в продуктах сгора-
С использованием коэффициента Кал концентрации, измерен*
е во влажных продуктах сгорания С£вл , пересчитываются на ус-
ловия сухих продуктов сгорания Cfc:
(% или ррт).
В соответствии с ГОСТом значения концентраций даются в
сухих продуктах сгорания при условной концентрации кислорода
15% (С*с5) и определяются по следующей формуле (приведенная
к нцен грация)
308
оксид азота NO — 1 ppm = 1 10 4 % = 1,34 мг/нм3;
оксид азота NO в пересчете на диоксид NO2 —
1 ppm - 1 10" 4 % = 2,054 мг/м3;
оксид углерода СО — 1 ppm = 1 10 4 % = 1,25 мг/нм3.
Сумма оксидов азота NO* в пересчете на диоксид определяется
по измеренным в ppm концентрациям NO и NO2 по формуле
NO, = 2,0S4 (NO + NO2) мг/вм3.
Шумовые характеристики ГТУ регламентируются общими
стандартами по нормированию шума на промышленных предпри-
IТИЯ
ометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000,
L = 20 1g(p/p^,
где р — среднее квадратическое значение звукового давления, Па;
р0 = 2 КГ 5 Па — условное пороговое значение звукового давления,
его характеристикой является интегральный критерий — эквива-
лентный (по энергии) уровень звука в дБА: уровень звука постоян-
шум в течение определенного интервала времени Т:
* «БА.
Допустимые уровни звукового давления в октавных полосах
частот, уровни звука и эквивалентные уровни звука на рабочих
местах для широкополосного постоянного и непостоянного шума
непостоянного шума не должен превышать 110 дБ А. Таким же об-
разом нормируется уровень шума в жилых и общественных зда-
В качестве примера в табл. 9.2 приведены допустимые значе-
ния характеристик шума в некоторых типичных случаях.
Шум ГТУ контролируется при ее работе в комплексе с приво-
по шуму при условии, что эти нормы не
агрегатов и регламента обслуживания и ремонта не только ГПА,
но и другого оборудования компрессорной станции. В районе же
должны соблюдаться предельные характеристики шума по п. 3
табл. 9.2.
Для контроля соответствия фактических уровней шума на ра-
бочих местах допустимым значениям производится измерение
ния, дБ постоянного шума; эквивалентный уровень звука и мак-
симальный уровень звука, дБА, для колеблющегося во времени
Для измерений применяют шумомеры 1-го или 2-го класса с
полосовыми электрическими фильтрами и измерительными трак-
тельные магнитофоны. Микрофон шумомера должен быть предна-
значен для измерений в свободном звуковом поле (при измерениях
поле (при измерениях в помещении). Акустическая и электричес-
кая калибровка шумомера и измерительного тракта должна про-
водиться до и после измерений.
Измерения должны проводиться при работе не менее 2/3 уста-
новленного в данном помещении единиц технологического обору-
310
Помещение Уровень звукового давления, дБ в октавных полосах, Гц Уровни
63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 звука, дБА
1. Постоянные рабо- водственных поме- 99 92 86 83 80 78 76 74 85
2. Кабины машинис- та скоростных и пригородных 91 83 77 73 70 68 66 64 75
3. Классные учеб- тории школ и др. 63 52 45 39 35 32 30 28 40
кно быть включено оборудование вентиляции, кондициониро-
ия воздуха и другие устройства, являющиеся источниками
полусфер;
а = 0.5/
S = 4(а6 + ас + fee)
Точки измерений следует
располагать на измерительной
поверхности, то есть на услов-
ной поверхности, которая окру-
жает источник шума и заканчи-
вается на звукоотражающей
плоскости (чаще всего это по-
верхность пола промышленного
помещения).
шума параллелепипеда (рис. 9.3).
габаритным размерам источни-
Площадь измерительной поверхности
При измерениях на площадках больших размеров измеритель-
ное расстояние может быть больше 1 м. Если величина d превы-
шает в 1.5 раза максимальный размер огибающего параллелепипе-
тельная поверхность с радиусом
;ение показано на рис. 9.3. Точки измерения 1...4 распо-
на высоте h± , которая должна быть не менее 0,15 м и
ft, = 0,25 (fe + с + d).
По результатам измерений во всех точках вычисляется
эдний уровень звукового давления (Lm) в дБ или средний уро-
1ь звука (ЬАгг) в дБА на измерительной поверхности по фор-
£ 10°дь'1-к.
вень звука, дБА, в i-й точке измерений; п — количество точек из-
мерения на измерительной поверхности; К — постоянная, учиты-
вающая влияние отраженного звука.
313
где S — площадь измерительной поверхности, м2; Sv — площадь
ограждающих поверхностей в помещении (включая пол), м2;
as — средний коэффициент звукопоглощения, зависящий от вида
помещения (для машинных залов с оборудованием as = 0,15).
9.6. ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГТУ ПРИ КОНВЕРСИИ
АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
При создании стационарных ГТУ на базе авиационных двига-
телей, как правило, отсутствует необходимость в автономных не-
кации подвергается камера сгорания в связи с
По этой причине для обеспечения ускоренной разработки ГТУ
проводится значительный объем испытаний камеры сгорания и ее
элементов (горелочных модулей, форсунок, воспламенителей и
путем испытаний отдельных элементов конструкции, является
разработка мероприятий по устранению дефектов, выявленных в
процессе доводки и эксплуатации ГТУ.
таний, которые проводились при создании ГГУ АЛ-31СТ.
мой камеры сгорания 13 осуществлялся через конфузорный учас-
ток 12, который в известной степени имитировал тракт компрессо-
ра. 8а камерой сгорания располагалась поворотная турель 14 с
гребенками термопар :
(полный оборот за 10... 15 минут). Топливный газ подавался от
для регулирования и измерения расхода и давления газа.
logooo^tg-^^y-1
температур газа в выходном сечении.
При испытаниях обеспечивались величины скоростей и темпе-
ратур потока на входе в камеру сгорания, соответствующие рабо-
Проводились испытания большого количества различных ва-
:ись все необходимые характеристики рабочего процесса — гид-
рав/
е, пусковые, пульсационные; определялись
разевания. В исследованиях использовался тот же измерительно-вы-
камеры сгорания. Для измерений концентраций загрязняющих
онструкция
грязняющих веществ (окислов азота NOX и оксида углерода СО).
Применение таких модулей в полноразмерной камере сгорания по-
Результаты эксплуатационных испытаний показывают, что
направляющих аппаратов компрессора по действием динамичес-
ких нагрузок, обусловленных вибрациями лопаток и корпуса. По-
скольку проверка вводимых для устранения этого недостатка ме-
и затрат, то при доводке было применено ускоренное моделирова-
ние процессов износа на малогабаритной модельной установке
ротных лопаток направляющего
: одной стороны были присоеди-
?, соединенные с тягой
поворота, а с другой
усилия F, создаваемые грузами 1, закрепленными на качалках.
Благодаря этому к элементам механизма поворота лопаток был
приложен момент, моделирующий действие газовых сил. Динами-
ческие нагрузки создавались вибрациями стола в вертикальном
пытаний — массы грузов и частоты вибраций — таким образом,
чтобы на исходном варианте конструкции воспроизводились за ог-
раниченное время параметры износа, характерные для реальной
s был оператив-
да моделирования и доводки.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
базе!
ИЯ конструкции авиационных
3. Назовите основные виды испытаний, которые проводятся
при создании стационарных ГТУ.
4. Охарактеризуйте главные особенности стендовых испыта-
5. Каковы задачи межведомственных приемочных и эксплуа-
тационных испытаний ГТУ?
6. Какие испытания проводятся при серийном производстве
ГТУ?
при доводочных испытаниях?
10. Как определяется мощность и КПД ГТУ при эксплуатаци-
онных испытаниях?
11. Какие виды испытаний проводятся для проверки ресурса
ограничивается, и как должны выражаться их концентрации?
13. Каким образом измеряется уровень шума ГТУ?
испытания алементов ГТУ.
319
ПРИЛОЖЕНИЕ
НОРМИРОВАННОЕ НОРМАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ
г 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0
Ф(г) 0 0,0793 0,1554 0,2257 0,2881 0,3413 0,3849 0,4192 0,4331 0,4452 0,4554 0,4640 0,4712 0,4772
ЧКг) 0,3982 0,3910 0,3682 0,3332 0,2896 0,2419 0,1941 0,1497 0,1295 0,1109 0,0940 0,0790 0,0656 0,0540
г 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2.9 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4
Ф(г) 0,4821 0,4860 0,4892 0,4918 0,4937 0,4953 0,4965 0,4970 0,4981 0,4986 0,4990 0,4993 0,4995 0,4996
<р(г) 0,0440 0,0355 0,0283 0,0224 0,0175 0,0136 0,0104 0,0079 0,0060 0,0044 0,0033 0,0024 0,0017 0,00121
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СТЬЮДЕНТА
f Y У
0,9 0,95 0,98 0,99 0,9 0,95 0,98 0,99
1 6,81 12,706 31,82 63,66 13 1,771 2,160 2,650 3,012
2 2,92 4,303 6,965 9,925 14 1,761 2,145 2,624 2,977
3 2,853 3,182 4,541 5,841 15 1,753 2,131 2,602 2,947
4 2,132 2,776 3,747 4,604 16 1,746 2,120 2,583 2,921
5 2,015 2,571 3,365 4,032 17 1.74 2,11 2,567 2,898
6 1,943 2,447 3.143 3,707 18 1,734 2,101 2,552 2.878
7 1,895 2.365 2.998 3.499 19 1,729 2,093 2,539 2,861
8 1,860 2,306 2,896 3,355 20 1,725 2,086 2,528 2,845
9 1,833 2,262 2.821 3,250 22 1,716 2,074 2,508 2.819
10 1,812 2,228 2,764 3,169 25 1,708 2,060 2,485 2,787
11 1,796 2,201 2,718 3,106 30 1,697 2,042 2,457 2,750
12 1,782 2,179 2,681 3,055 1,645 1,959 2,326 2,576
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
ЗНАЧЕНИЕ vT, ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ЧИСЛАХ ИЗМЕРЕНИЙ
д = 1 — у q = 1 - у
0,10 0,05 0,025 0,01 0,10 0,05 0,025 0,01
3 1,406 1,412 1,414 1.414 14 2,297 2,461 2,602 2,759
4 1,645 1,689 1,710 1,723 15 2,326 2,493 2,638 2,808
5 1,731 1,869 1,917 1,955 16 2,354 2,523 2,670 2,837
6 1,894 1,996 2,067 2,130 17 2,380 2,551 2,701 2,871
7 1,074 2,093 2,182 2,265 18 2,404 2,557 2,728 2,903
3 2,041 2,172 2,273 2,374 19 2,426 2,600 2,754 2,932
9 2.097 2,237 2,349 2,464 20 2,447 2,623 2,778 2,959
10 2,146 2,294 2,414 2,540 21 2,467 2,644 2,801 2.984
11 2,190 2,383 2,470 2,606 22 2,486 2.664 2,823 3,008
12 2,229 2,387 2,519 2,663 23 2,504 2,683 2,843 3,030
13 2,264 2,426 2,562 2.714 24 2,520 2,701 2,862 3,051
25 2,537 2,717 2,880
ОКОНЧАНИЕ ПРИЛ. 4
1. Авиационные правила. Часть 21. Процедуры сертификации
авиационной техники. 1994.
2. Авиационные правила. Часть 33. Нормы летной годности
двигателей воздушных судов. 1994.
эксперимента при поиске оптимальных условий. — М.: Наука,
1976.
4. Бурдун ГД.. Марков Б.Н. Основы метрологии. — М.: Изд-во
и связь, 1994.
6. Иванова Г.М., Кузнецов Н.Д., Чистяков В.С. Теплотехни-
ческие измерения и приборы. — М.: Энергоиздят, 1984.
7. Костенко Л Л. Испытания газотурбинных двигателей с ис-
вы теории и практическое руководство) / Под общ. ред. АА. Сар-
кисова и В.П. Егорова. — СПб. государственный технический уни-
верситет, 2000.
8. Марчуков Е.Ю. Конверсия высокотемпературного авиаци-
онного двигателя.— М., 1998.
9. Нечаев Ю.Н. Законы управления и характеристики авиаци-
онных силовых установок: Учебник для вузов по специальности
“Авиационные двигатели и энергетические установки”__М.: Ма-
шиностроение, 1995.
10. Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И. Эквивалентные испытания
газотурбинных двигателей. — М.: Машиностроение, 1976.
11. Сергеев АТ., Крохин В.В. Метрология: Учебное пособие для
вузов. — М.: Логос, 2000.
испытательных стендов для авиационных двигателей. — М.: Ма-
шиностроение, 1979.
бинных двигателей / Под ред. АЛ. Черкеза // Труды ЦИАМ.
14. Российское акционерное общество “Газпром”. ВНИИ при-
указания по проведению теплотехнических и газодинамических
расчетов при испытаниях газотурбинных газоперекачивающих аг-
15. Российское акционерное общество “Газпром”. ВНИИ при-
родных газов и газовых технологий (ВНИИГАЗ). Сборник времен-
ных инструкций по измерению, учету и контролю выбросов окси-
газа. — М., 1993.
17. Теория, расчет и проектирование авиаци
нова и В.М. Чепкина. 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Изд-во МАИ,
2003.
18. Теория и проектирование газотурбинных и комбинирован-
им. Н.Э. Баумана, 2000.
19. Технология эксплуатации, диагностики и ремонта газотур-
бинных двигателей: Учебное пособие / Ю.С. Елисеев, В.В. Крымов,
КА. Малиновский, В.Г. Попов. — М.: Высшая школа, 2002.
Предметный указатель
— усилий 83
— давлений 67
— косвенные 44
Дробная реплика 109
Дроссельная характеристика 180
Запуск двигателя 201, 231
Коэффициент влияния 59
Удельная масса выброса 237
Уравнение регрессии 92
(УСО) 60
ций 237
— эффективный 253
Функция распределения 49
Эксгаустер 146, 152
— статическая 46
— дробный 107
531