Метрологическое обеспечение производства и испытаний газотурбинных двигателей летательных аппаратов Иванов В.С.

министеРствО ОБРАзОВАния РОссийскОЙ ФедеРАции московский лвилционный институт (государственный технический университет) В.С. ИВАНОВ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА И ИСПЫТАНИЙ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ. СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ Учебное пособие Утверждено на заседании редсовета 18 декабря 2000 г. Москва Издательство МАИ 2002 Иванов В.С. Метрологическое обеспечение производства и испытаний газотурбинных двигателей летательных аппаратов.

Средства и методы измерения: Учебное пособие. — М.: Изд-во МАИ, 2002. — 92 с.." ил 16ВХ 5-7035-2562-9 Ф Московский авиационный институт (государственный технический университет), 2002 Тем. план 2001, поз. -' Иванов Вячеслав Семе*нович МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА И ИСПЫТАНИЙ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ. СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ Редактор М.С.

Винниченко Техн. редактор и компьютерная верстка Т.С. Евгеньева Сдано в набор 30.11.01. Подписано в печать 28.10.02. Вум. газетная. Формат 60 х 84 1/16. Печать офсетная. Усл. печ. д. 5,35. Уч.-изд. л. 5,75. Тираж 250. Зак. 2224~1443. С. 83. Издательство МАИ "МАИ'", Волоколамское шоссе, 4, Москва, А-80, ГСП-3 125993 Типография Издательства МАИ "МАИ", Волоколамское шоссе, 4, Москва, А-80, ГСП-3 125993 Рассматриваются такие виды измерений, как давление, температура, сила, расходометрия, частота и скорость, а также преобразователи, регистрирующие приборы и токосъемные устройства. Получены исходные данные для назначения методик выполнения измерений, процедуры градуировки измерительных каналов, обработки результатов измерений.

требования, предъявляемые к точностным характеристикам параметров ГТД. Для организации учебной подготовки студентов, специалистов и инженеров различных направлений двигателестроения, связанных с проблемами повышения качества и метрологического обеспечения производства и испытаний ГТД. ПРЕДИСЛОВИЕ Повышение ресурса и надежности авиационных двигателей — одна из важных задач, решаемая„в частности, при проведении измерений со всем арсеналом приборов и технических средств, необходимых для контроля и испытаний двигателей. Эффективность этих приборов закладывается еще на стадии разработки двигателя, когда реализуются требования, обеспечивающие возможность оптимального контроля и измерений всех основных параметров двигателей с оптимальными затратами.

Из измерительных операций, удельный вес которых по мере автоматизации производства все более возрастает, состоят в значительной мере технологические процессы, испытания и сертификация двигателей. Так, для изготовления ГТД выпол-няется более ста тысяч различных операций, половина из них — контрольные, связанные с теми или иными видами измерений„что налагает особые, более высокие требования к измеряемым системам, применяемым при испытаниях, доводке и эксплуатации этих типов двигателей, к их точности и надежности. В пособии анализируются разнообразные системы оснащения испытаний ГТД средствами измерений, выявляются связи между ее элементами, рассматриваются виды измерений; давление, температура, сила, расходометрия, частота и скорость, а также преобразователи, регистрирующие приборы и токосъемные устройства.

Это позволяет получать исходные данные для назначения методик выполнения измерений, автоматизированного выбора средств измерений, процедуры градуировки измерительных каналов, обработки результатов измерений, требования, предъявляемые к точностным характеристикам параметров ГТД, средств измерений. 1. ЗАДАЧИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИИ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ ГТД Высокая эффективность ГТД достигается за счет использования высоконапряженных режимов работы отдельных узлов двигателя по температуре и механическим нагрузкам, что налагает особые, более высокие требования к измеряемым системам, применяемым при испытаниях, доводке и эксплуатации этих типов двигателей, к их точности и надежности.

Все это требует анализа системы измерений испьгганий ГТД [1], [4], [5] и выработки рекомендаций по их оптимизации с учетом данных их метрологических и технических характеристик. Анализируются разнообразные системы оснащения средствами измерений при проведении испытаний ГТД [17], [27], [28], [38]. Выявляются связи между элементами рассматриваемой системы [10], [15]. Исследование связи может проводиться различными способами, но само наличие связи между элементами определяет их организацию, структуру организации. Кроме того, при испытаниях ГТД (включая метрологическое обеспечение) также обнаруживается взаимозависимое поведение элементов системы метрологического оснащения испытаний ГТД.

Требования к точности измерений параметров ГТД устанавливаются отраслевыми техническими условиями и стандартами. Перспективные требования к точности измерения основных параметров двигателя приведены в табл. 1. Как видно из приведенных в таблице данных„заметна тенденция к повышению требований к точности измерений, увеличению объема информации на переходных режимах и увеличению количества информации, получаемой на испытательных установках [7], [8].

Требования по точгоч носта ьозрослп инчти ь,цвай ри э~ Научно-исследовательский пентр им. Арнольда (СШЛ) Отраслевые нормативы Суммарная погрешность измерения параметра ОСТ 1 01021- 81 Характеристика (параметры) Число Ширина Погрешность измерения ОТУ 81 Погрешность считывания измеряемых величин частот Давление газа: 0,5 установившиеся режимы 10 переходные режимы Давление жидкости: 1,0 установившиеся режимы 3,0 10 переходные режимы Перспективные требования к точности измерения основных параметров двигателя Исходя из этого при составлении методик выполнения измерений (МВИ) определяется состав средств измерений, процедура градуировки измерительных каналов, обработка результатов измерений, включая оценку погрешностей.

Критерием правильности составления МВИ должно быть расчетное и экспериментальное подтверждение требования выполнимости измерений с заданной точностью при выбранном составе измерительной аппаратуры. В последние годы уделяется все больше внимания изменению и анализу быстропеременных процессов, происходящих в газовоздушном тракте и механических конструкциях.

Обработка большого объема получаемой информации осуществляется автоматизированными измерительно-вычислительными комплексами и устройствами. Испытания двигателей и их узлов многообразны. Рассмотрим наиболее общую схему стенда для снятия высотно-скоростных характеристик с использованием термобарокамеры (рис. 1) и перечень измеряемых параметров (табл.

2). Двигатели устанавливаются в термобарокамере, связанной с силоизмерительным устройством о. Вход двигателя соединяется с мерным участком Л. На входе устанавливается диффузор 4; в мерном участке — датчики 3, используемые для измерения расхода воздуха. Измерение частоты вращения осуществляется тахометрической системой 6. В табл. 2 перечисляются измеряемые параметры с указанием ориентировочных допустимых погрешностей и применяемых средств измерений ~101, ~30~, [36~. Более подробные сведения указаны в соответствующих нормативных документах.

Наибольшую сложность представляют измерения усилия тяги и расхода топлива, а также расчет соответствующих приведенных параметров. Трудности заключаются в обеспечении необходимой точности результатов измерений при широких диапазонах измерения параметров и внешних воздействий (температур, давлений, вибраций и пр.). Неравномерность потоков на входе требует большого числа точек измерения для усреднения измеренных величин (давлений и температур). Воздействие переменных температур и вибраций предъявляет дополнительные требования к конструкции динамической платформы и силоизмерительной системы. Наличие различного вида пульсаций требует усреднения измеренных параметров во времени.

Это от- Рис. 1, Схема стенда для снятия высотно-скоростных характеристик: 1 — двигатель; 2 — мерный участок; 3 — датчик измерения; 4 — выходной ди4зфузор; Б — тягоизмерительная система; 6 — тахометрическая система измерения расхода топлива; 7 — топливопровод Таблица 2 Измеряемые параметры и средства измерений Параметр 1 Усилие тяги + 0,5% 2 Расход топлива 3 Расход. воздуха 1 0,2% 4 Частота вращения ротора й (0,5-1)% Температура воздуха, газа Давление барометрическое (атмосФерное) Барометры ртутные +0,5 мм рт.

ст. + 0,5% 7 Давление воздуха, газа х э мм вод. ст. 9 Давление топлива, масла 8 Перепады давления Прогнозируемая погрешность измерения Применяемые средства измерений Гидрокомпенсационные, вибрационные, тензорезисторные Весовые, объемные, турбинные Коллекторы расходомерные Электрические тахометры Термометры сопротивления, термопары Электрические преобразователи давления, ГРМ Жидкостные манометры, электрические преобразователи давления Пружинные манометры, электрические преобразователи давления носится к измерению расхода топлива, частоты вращения ротора. При испытании фиксируются также параметры режима работы скорости М, высоты Н, перемещения динамоплатформы и др.

При осуществлении анализа методов и средств, применяемых при испытаниях ГТД, в последующих разделах будут рассмотрены такие виды измерений, как давление, температура, сила, расходометрия, частота и скорость, а также преобразователи, регистрирующие приборы и токосъемные устройства, приборы неразрушающего контроля и технической диагностики, что позволяет получить исходные данные для назначения методик выполнения измерений, автоматизированного выбора средств измерений, процедуры градуировки измерительных каналов, обработки результатов измерений. Анализ требований, предъявляемых к точностным характеристикам параметров ГТД, средств измерений, позволяет получить алгоритм поиска оптимальных решений по выбору состава средств измерений с учетом требований, предъявляемых к испытаниям. Результатом общей оценки технического и метрологического уровня средств измерений, применяемых при испытаниях, является оценка допустимой погрешности измерений с учетом норм точности на параметры ГТД.

Это позволяет: 1) оснащать технологические процессы изготовления н испытания средствами измерений в условиях ресурсосберегающих технологий (поддержание оборонного потенциала, усложнение технологических процессов, повышение качества и надежности двигателей, уточнение критериев оценки, ужесточение ресурсных ограничений, уменьшение входного контроля); 2) рассматривать развитие средств и методов измерений, применяемых при испытаниях ГТД, с учетом экономической эффективности, улучшения метрологических характеристик, повышения технического уровня, минимизации затрат и дефицита ресурсов. 2.

ОСНОВНЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ Применяемые при испытаниях ГТД средства измерений могут быть как простыми 1однозвенными), так и достаточно сложными, включающими целый ряд преобразователей, в том 10 числе элементы, осуществляющие вычислительные операции (микропроцессоры). Различные или однотипные средства измерений могут объединяться в информационно-измерительные системы для автоматизации измерений и обработки экспериментальных данных. Отдельные элементы измерительной системы имеют свое назначение. Так, первичный измерительный преобразователь, воспринимающий действие измеряемой физической величины и преобразующий это действие в некоторый унифицированный сигнал, называют да.т.чиком.