СТЕНД АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИСПЫТАНИЙ ГАЗОГЕНЕРАТОРА ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВУХКОНТУРНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2023 года по МПК G01M15/14 

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в автоматизированных системах управления испытаний газогенераторов турбореактивных двухконтурных двигателей.

Известна установка (SU №294099, МПК F02K 3/00, G01N 9/00, опубл. 1971) для испытания сверхзвуковых воздушно-реактивных двигателей, содержащая источник нагретого газа - двухконтурный воздушно-реактивный двигатель, на выходе которого размещен смеситель, обеспечивающий подвод к выхлопной струе двигателя атмосферного воздуха и смешение двух потоков для выравнивания параметров на входе в испытуемый двигатель. Недостатком указанной установки является отсутствие возможности проведения испытаний, связанных с оценкой термодинамических и эмиссионных характеристик, существенное ограничение области применения данной установки для проведения испытаний различных типов и модификаций газогенераторов турбореактивных двухконтурных двигателей, а также высокая вероятность аварийных режимов работы, в частности помпажа.

Известен стенд (RU №2739168, МПК G01M 15/14, опубл. 21.12.2020) для испытания газогенератора турбореактивного двухконтурного двигателя, содержащий систему подготовки и подачи воздуха в испытываемый газогенератор создаваемого двигателя, включающую компрессоры, воздуховодянные и высокотемпературные холодильники, подводящий, выхлопной и байпасный воздушные трубопроводы, технологический канал наружного контура двигателя, устройство для выравнивания потока воздуха, две выхлопные шахты и термобарокамеру с размещенной внутри нее динамометрической платформой, где подводящий, выхлопной и байпасный трубопроводы снабжены заслонками для изменения расхода воздуха в испытываемый газогенератор. Недостатками известного стенда являются значительные финансовые и материальные затраты, связанные с его изготовлением, а также высокая стоимость испытаний, обусловленная существенной трудоемкостью подготовки потока воздуха с требуемыми термодинамическими параметрами.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и принятым за прототип, является стенд (RU №2622588, МПК G01M 15/14, опубл. 16.06.2017) для испытания газогенератора турбореактивного двухконтурного двигателя, содержащий технологический турбореактивный двухконтурный двигатель без смешения потоков контуров низкого и высокого давления (далее технологический двигатель), первый воздуховод и первую заслонку, второй воздуховод и вторую заслонку, контур низкого давления технологического двигателя соединен со входом первого воздуховода и со входом второго воздуховода, при этом выход первого воздуховода соединен со входом испытываемого газогенератора, создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя (далее испытываемый газогенератор), а первая заслонка первого воздуховода обеспечивает регулирование термодинамических параметров потока воздуха (расход, давление и температура воздуха), подаваемого на вход испытываемого газогенератора; выход второго воздуховода соединен со стендовым устройством выхлопа, а вторая заслонка второго воздуховода обеспечивает изменение термодинамических параметров потока воздуха (расход, давление и температура воздуха), подаваемого на вход испытываемого газогенератора путем регулирования потока воздуха из второго воздуховода в стендовое устройство выхлопа.

Таким образом прототип позволяет проводить испытания газогенератора, создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя с воспроизведением работы его контура низкого давления.

Недостатками прототипа является:

- низкий уровень автоматизации процесса испытаний, в т.ч. ручной характер управления заслонками, что приводит к увеличению продолжительности настройки различных испытательных режимов газогенератора. Кроме того, возможны помпажи технологического двигателя при переходах с одного испытательного режима на другой вследствие несогласованного режима работы технологического двигателя с испытываемым газогенератором;

- низкая эффективность работы первой заслонки. Практический опыт реализации прототипа показал достаточность управления только второй заслонкой для обеспечения требуемых параметров потока воздуха, подаваемого на вход испытываемого газогенератора. Кроме того, при одновременной работе обоих заслонок возможны колебательные процессы по параметрам потока воздуха, сложности в управлении.

Техническим результатом изобретения является:

- автоматизация процесса испытаний газогенератора на различных режимах его работы с воспроизведением требуемых входных термогазодинамических параметров (по температуре, давлению и расходу воздуха), имитирующих работу контура низкого давления, создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя;

- снижение затрат на создание и содержание испытательного стенда.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что в стенде для испытаний газогенератора турбореактивного двухконтурного двигателя, содержащим технологический двигатель, первый воздуховод, второй воздуховод с заслонкой, контур низкого давления технологического двигателя соединен со входом первого воздуховода и со входом второго воздуховода, при этом выход первого воздуховода соединен со входом испытываемого газогенератора, выход второго воздуховода соединен со стендовым устройством выхлопа, а заслонка второго воздуховода обеспечивает изменение термодинамических параметров потока воздуха (расход, давление и температура воздуха), подаваемого на вход испытываемого газогенератора путем регулирования потока воздуха из второго воздуховода в стендовое устройство выхлопа, дополнительно введен электронный блок управления, содержащий первую встроенную термогазодинамическую математическую модель создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя, вторую встроенную термогазодинамическую математическую модель технологического двигателя, а также первую программу управления технологическим двигателем и вторую программу управления положением заслонки второго воздуховода, при этом входными параметрами электронного блока управления являются параметры создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя и параметры технологического двигателя, а выходными параметрами являются задаваемый режим работы технологического двигателя и положение заслонки второго воздуховода, которые определяют на основании расчетов по первой и второй встроенным термогазодинамическим математическим моделям, первой и второй программам управления.

Дополнительно, первая встроенная термогазодинамическая математическая модель создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя представляет собой функциональную зависимость температуры Т_{ВХ ГГ УСТ} и давления Р_{ВХ ГГ УСТ} воздуха на входе испытываемого газогенератора, создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя от температуры Т_ВХ и давления Р_ВХ заторможенного потока воздуха на входе создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя и режима его работы.

Дополнительно, в качестве режима работы, создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя, используют частоту вращения ротора испытываемого газогенератора n_ГГ.

Дополнительно, вторая встроенная термогазодинамическая математическая модель технологического двигателя представляет собой функциональную зависимость термодинамических параметров, характеризующих границы области устойчивой работы технологического турбореактивного двухконтурного двигателя и режима его работы.

Дополнительно, в качестве параметров, характеризующих границы устойчивой работы технологического двигателя, используют давление воздуха на выходе контура низкого давления технологического двигателя, соответствующие максимальной Р_{ТД МАКС} и соответственно минимальной Р_{ТД МИН} границе газодинамической устойчивости контура низкого давления технологического двигателя, скорректированные на значение давления потока воздуха на входе технологического двигателя Р_{ВХ ТД}.

Дополнительно, в качестве параметра, характеризующего режим работы технологического двигателя, используют частоту вращения ротора контура низкого давления n_ТД.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом.

Фиг. 1 - стенд для автоматизированных испытаний газогенератора турбореактивного двухконтурного двигателя, где 1 - испытываемый газогенератор; 2 - рычаг управления газогенератором; 3 - первый воздуховод; 4 - второй воздуховод; 5 - заслонка; 6 - технологический двигатель; 7 - контур низкого давления технологического двигателя; 8 - контур высокого давления технологического двигателя; 9 - стендовое устройство выхлопа; 10 - электронный блок управления.

Испытываемый газогенератор 1 - любой тип газогенератора турбореактивного двухконтурного двигателя, но предпочтительно в классе тяги 8…50 тонн. Газогенератор 1 включает компрессор, камеру сгорания и турбину (без позиций). Изменение режима работы газогенератора 1 (частоты вращения ротора) осуществляется путем перевода рычага управления газогенератором 2 и последующего изменения подачи топлива в камеру сгорания. Регулирование режимов работы газогенератора 1 в целом осуществляется электронной системой автоматического управления с полной ответственностью, типа FADEC (Full Authority Digital Engine Control).

Рычаг управления газогенератором 2 представляет собой механическое устройство, обеспечивающее задание режима работы газогенератора 1. Положение рычага управления газогенератора 2 регистрируется соответствующим электрическим датчиком типа синусно-косинусного трансформатора.

Первый воздуховод 3 представляет собой трубу подвода воздуха от контура низкого давления технологического двигателя к газогенератору 1.

Второй воздуховод 4 представляет собой трубу отвода воздуха от контура низкого давления технологического двигателя в стендовое устройство выхлопа 9.

Заслонка 5 размещена во втором воздуховоде 4 и предназначена для изменения термодинамических параметров потока воздуха (расход, давление и температура воздуха), подаваемого на вход газогенератора 1 путем регулирования потока воздуха из второго воздуховода в стендовое устройство выхлопа 9.

Технологический двигатель 6 представляет собой турбореактивный двухконтурный двигатель без смешения потоков контуров низкого и высокого давления. Выбор типа (мощности) технологического двигателя 6 определяется с одной стороны полнотой обеспечения требуемых входных термогазодинамических параметров испытываемого газогенератора 1, а с другой стороны из условия минимизации материальных и экономических затрат на проведение данных испытаний.

Контур низкого давления 7 включает компрессор низкого давления и канал наружного контура технологического двигателя 6. Выход контура 7 соединен с воздуховодами 3 и 4.

Контур высокого давления 8 включает компрессор высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления и сопло контура высокого давления технологического двигателя. Выход контура 8 соединен со стендовым устройством выхлопа 9.

Стендовое устройство выхлопа 9 стандартное и предназначено для охлаждения и выброса газов технологического двигателя и испытываемого газогенератора в атмосферу через вертикальную шахту шумоглушения.

Электронный блок управления 10 предназначен для сбора информации о параметрах работы испытываемого газогенератора 1 и технологического двигателя 6, а также для автоматической выработки управляющих сигналов в технологический двигатель 6 и заслонку 5 с целью обеспечения требуемых значений термодинамических параметров потока воздуха на входе в газогенератор 1.

Значения требуемых термодинамических параметров на входе в газогенератор 1 определяются режимом работы газогенератора и требуемыми параметрами заторможенного потока воздуха на входе создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя. Эти значения параметров на входе, которые воспроизводят (имитируют) работу компрессора низкого давления, создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя, определяются в виде:

где Т_{ВХ ГГ УСТ} - требуемое значение температуры воздуха на входе в испытываемый газогенератор; Р_{ВХ ГГ УСТ} - требуемое значение давления воздуха на входе в испытываемый газогенератор; G_{ВХ ГГ УСТ} - требуемое значение расхода воздуха на входе в испытываемый газогенератор; n_ГГ - режим работы испытываемого газогенератора; Т_ВХ - требуемое значение температуры заторможенного потока воздуха на входе создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя; Р_ВХ - требуемое значение давления заторможенного потока воздуха на входе создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя.

Принцип работы предлагаемого изобретения заключается в последовательном увеличении режима работы газогенератора 1, где на каждой точке его дроссельной характеристики воспроизводится режим работы компрессора низкого давления, создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя. Воспроизведение режима работы компрессора низкого давления, создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя, осуществляется по вышеуказанным функциональным зависимостям (1) и (2) на базе технологического двигателя 6 с электронным блоком управления 10 и заслонкой 5. Требуемые значения температуры Т_{ВХ ГГ УСТ} и давления Р_{ВХ ГГ УСТ} воздуха на входе в испытываемый газогенератор 1, определяются с использованием первой встроенной термогазодинамической математической модели по значению измеренной частоты вращения ротора испытываемого газогенератора n_ГГ и по заданным требуемым значениям температуры Т_ВХ и давления Р_ВХ заторможенного потока воздуха на входе в создаваемый турбореактивный двухконтурный двигатель. Функциональная зависимость (3) обеспечивается выбранным типом (мощностью) технологического двигателя 6 во всем диапазоне его работы и не требует специального регулирования. Определение давления воздуха на выходе контура низкого давления технологического двигателя 7, соответствующее максимальной (помпажной) границе Р_{ТД МАКС} и давление воздуха на выходе контура низкого давления технологического двигателя 7, соответствующее минимальной (флатерной) границе Р_{ТД МИН}, определяют с использованием второй встроенной термогазодинамической математической модели по измеренной частоте вращения ротора контура низкого давления технологического двигателя птд, Формирование режима работы технологического двигателя 6 и положение заслонки 5 выполняется на основании расчетов по первой и второй программам управления, которые например, могут быть представлены пропорционально-интегрально-дифференцирующими (ПИД) регуляторами. Таким образом, в основе работы предлагаемого стенда для автоматизированных испытаний газогенератора турбореактивного двухконтурного двигателя лежит технологический процесс получения воздуха с требуемыми термодинамическими параметрами на базе технологического двигателя с электронным блоком управления, содержащим встроенные термогазодинамические модели газогенератора и технологического двигателя, а также программы управления режимом технологического двигателя и положением заслонки.

Заявленное изобретение успешно опробовано в технологическом процессе испытаний газогенератора перспективного турбореактивного двухконтурного двигателя типа ПД-14 в условиях АО «ОДК-Авиадвигатель». В качестве электронного блока управления, обеспечивающего измерение и вычисление параметров, хранение математических моделей, программ управления использован программно-аппаратный комплекс стендовой системы автоматизированных испытаний двигателей, типа MIC фирмы НПП МЕРА. Первая встроенная термогазодинамическая математическая модель создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя создана расчетным способом на этапе проектирования, а вторая встроенная математическая модель технологического турбореактивного двухконтурного двигателя создана экспериментальным способом. В качестве языка программирования для создания программного обеспечения электронного блока управления использован язык программирования типа С.

Технологический двигатель представляет собой турбореактивный двухконтурный двигатель Д-30 3 серии разработки АО «ОДК-Авиадвигатель». Данный тип двигателя выбран из условия наилучшего соответствия параметров рабочего тела его наружного контура требованиям к параметрам на входе в испытываемый газогенератор и наименьших эксплуатационных расходов в условиях рассматриваемого моторостроительного предприятия. Изменение режима работы технологического двигателя осуществляется электронным блоком управления при помощи электроприводного механизма через систему тяг непосредственно на насос-дозатор турбореактивного двухконтурного двигателя Д-30 3 серии.

Система подвода рабочего тела представляет собой систему воздуховодов протяженностью более 25 м и диаметром около 1 м.

Предлагаемое изобретение с вышеуказанными отличительными признаками позволяет повысить надежность и эффективность процесса испытаний газогенератора турбореактивного двухконтурного двигателя.

Изобретение относится к области испытаний газотурбинных двигателей и может быть использовано прежде всего в системах автоматизированных испытаний газогенератора турбореактивного двухконтурного двигателя. Стенд для испытаний газогенератора создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя, содержащий технологический двухконтурный двигатель без смешения потоков контуров низкого и высокого давления, первый воздуховод, второй воздуховод с заслонкой, контур низкого давления технологического двигателя соединен со входом первого воздуховода и со входом второго воздуховода, при этом выход первого воздуховода соединен со входом испытываемого газогенератора, выход второго воздуховода соединен со стендовым устройством выхлопа, а заслонка второго воздуховода обеспечивает изменение термодинамических параметров потока воздуха (расход, давление и температура воздуха), подаваемого на вход испытываемого газогенератора путем регулирования потока воздуха из второго воздуховода в стендовое устройство выхлопа, дополнительно оснащен электронным блоком управления, содержащим встроенные термогазодинамические модели создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя и технологического турбореактивного двухконтурного двигателя, входными параметрами электронного блока управления являются параметры создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя и технологического турбореактивного двухконтурного двигателя, а выходными параметрами является задаваемый режим работы технологического турбореактивного двухконтурного двигателя и положение заслонки второго воздуховода. Техническим результатом предлагаемого изобретения является автоматизация процесса испытаний газогенератора, создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя, снижение затрат на создание и содержание испытательного стенда. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Стенд для автоматизированных испытаний газогенератора создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя, содержащий технологический двухконтурный двигатель без смешения потоков контуров низкого и высокого давления, первый воздуховод, второй воздуховод с заслонкой, контур низкого давления технологического двигателя соединен со входом первого воздуховода и со входом второго воздуховода, при этом выход первого воздуховода соединен со входом испытываемого газогенератора, выход второго воздуховода соединен со стендовым устройством выхлопа, а заслонка второго воздуховода обеспечивает изменение термодинамических параметров потока воздуха (расход, давление и температура воздуха), подаваемого на вход испытываемого газогенератора путем регулирования потока воздуха из второго воздуховода в стендовое устройство выхлопа, отличающийся тем, что дополнительно введен электронный блок управления, содержащий первую встроенную термогазодинамическую математическую модель создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя, вторую встроенную термогазодинамическую математическую модель технологического двухконтурного двигателя, а также первую программу управления технологическим двигателем и вторую программу управления положением заслонки второго воздуховода, при этом входными параметрами электронного блока управления являются параметры создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя и параметры технологического двухконтурного двигателя, а выходными параметрами является задаваемый режим работы технологического двухконтурного двигателя и положение заслонки второго воздуховода, которые определяют на основании расчетов по первой и второй встроенным термогазодинамическим математическим моделям и по первой и второй программам управления.

2. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что первая встроенная термогазодинамическая математическая модель создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя представляет собой зависимость температуры Т_{ВХ ГГ УСТ} и давления Р_{ВХ ГГ УСТ} воздуха на входе испытываемого газогенератора, создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя от температуры Т_ВХ и давления Р_ВХ заторможенного потока воздуха на входе создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя и режима работы газогенератора.

3. Стенд по п. 2, отличающийся тем, что в качестве режима газогенератора создаваемого турбореактивного двухконтурного двигателя используют частоту вращения ротора испытываемого газогенератора n_ГГ.

4. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что вторая встроенная термогазодинамическая математическая модель технологического двухконтурного двигателя представляет собой зависимость термодинамических параметров, характеризующих границы области устойчивой работы технологического турбореактивного двухконтурного двигателя и режима его работы.

5. Стенд по п. 4, отличающийся тем, что в качестве параметров, характеризующих границы устойчивой работы технологического двигателя, используют давление воздуха на выходе контура низкого давления технологического двигателя, соответствующие максимальной Р_{ТД МАКС} и соответственно минимальной Р_{ТД МИН} границе газодинамической устойчивости контура низкого давления технологического двигателя, скорректированные на значение давления потока воздуха на входе технологического двигателя Р_{ВХ ТД}.

6. Стенд по п. 4, отличающийся тем, что в качестве параметра, характеризующего режим работы технологического двигателя, используют частоту вращения ротора контура низкого давления n_ТД.