• Наукоград

СОЗДАНИЕ В НПО «ТУРБОТЕХНИКА» МОТОРНЫХ СТЕНДОВ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ АВИАЦИОННЫХ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ


Рубрика Научные исследования и технологии

УДК 621.43

TURBOTEKHNIKA CREATES ENGINE TEST STAND FOR TESTING AIRCRAFT PISTON ENGINES

И. В. Ковальцов, инженер

С. А. Корнеев, инженер

О. Г. Зайцев, инженер

В. Н. Каминский, доктор технических наук, профессор

Р. В. Каминский, кандидат технических наук

АО «НПО «Турботехника», Протвино, Московская область

Статья посвящена разработке и созданию образца уникального экспериментального стенда для проведения испытаний авиационных поршневых двигателей различной мощности. Для проведения такой работы необходимо наличие огромной информационно-исследовательской базы, которой обладают специалисты АО «НПО «Турботехника». Создание стенда выполнялось на территории ГЛИЦ в рамках госзаказа.

Ключевые слова: авиационные поршневые двигатели, автоматизация, B&R, Automation Studio, экспериментальный моторный стенд, гидравлическое нагрузочное устройство, информационно-измерительная система.

I. V. Kovaltsov, Engineer

S. A. Korneev, Engineer

O. G. Zaitsev, Engineer

V. N. Kaminskiy, Doctor of Technical Sciences, Professor

R. V. Kaminskiy, Candidate of Technical Sciences

JSC Scientific-Production Association Turbotekhnika,

Protvino, Moscow Region

The article describes development and creating of a model of unique test stand for testing aircraft piston engines of different power capacity. Such testing requires extensive information and research base, possessed by the specialists of JSC Scientific-Production Association Turbotekhnika. The making of the stand was performed on the territory of State Aircraft Testing Centre (GLITs) within government procurement.

Keywords: aircraft piston engines, automation, B&R, Automation Studio, engine test stand, hydraulic loading device, information and measurement system

Введение

Разработка и создание современных видов летательных аппаратов требуют от конструкторов новых планерных схем, авионики и высокоэффективных двигателей. Решение этих задач усложняется в связи с заданными изначально высокими требованиями к каждому объекту разработки. Тщательное следование строгим техническим условиям и требованиям необходимо при оснащении современных видов авиационной техники новыми типами отечественных поршневых двигателей. Особенно важным считается наличие высокоэффективной испытательной базы, позволяющей произвести оценку соответствия полученных при производстве характеристик авиационных поршневых двигателей (АПД) заданным параметрам в объеме типовых программ и методик испытаний.

Опыт создания испытательной базы [1], а также потенциал и квалификация сотрудников, занимающихся проектированием и созданием подобного испытательного оборудования, позволил АО НПО «Турботехника» включиться в этот процесс с высокой степенью эффективности. Работа осложнялась сжатыми сроками и отсутствием доступной информации в этой области.

На этапе проектирования была проделана большая работа по обзору и анализу мирового и отечественного опыта в области испытаний АПД. Для знакомства что называется «в железе» с имеющимся на текущий момент испытательным оборудованием и объектами испытаний (поршневые двигатели различной мощности, предназначенные для оснащения авиационной техники) специалисты Турботехники, занятые в осуществлении проекта, обратились к своим коллегам из ГНЦ РФ ФГУП «Центральный институт авиационного моторостроения им. П. И. Баранова». Невозможно переоценить огромный, многолетний опыт работников института в области теоретических исследований и конструкторских разработок, которым они охотно поделились.

В изучении технических характеристик объектов испытаний, их «тонких мест» содействие оказали специалисты предприятий-изготовителей – ОАО ГМЗ «АГАТ», АО «Климов» и ООО «ИТЛАН».

После анализа и систематизации полученная информация позволила решить основополагающую задачу – определить облик экспериментального образца стенда для проведения специальных и длительных стендовых испытаний авиационных поршневых двигателей различных типов в диапазоне мощностей 20–60 л.с., 60–150 л.с., 150–500 л.с.

Техническое задание определило состав необходимого оборудования и требования к его функционалу, системе безопасности, надежности, ремонтопригодности, материальному обеспечению, информационно-измерительной системе, метрологическому обеспечению.

Описание стенда

Испытательный стенд представляет собой совокупность агрегатов, узлов, деталей, электроприборов, исполнительных, электронных, измерительных устройств, средств связи и пакета программного обеспечения, объединенных в единую систему с целью создания условий для проведения испытаний АПД в соответствии с требованиями нормативных документов (рис. 1).

Стенд обеспечивает проведение испытаний заданных типов АПД в наземных условиях (Н = 0, М = 0) при различных атмосферных условиях:

‒ температура воздуха от –40°С до +40°С;

‒ влажность от 0 до 100%;

‒ давление от 730 до 770 мм рт. ст.

В состав испытательного стенда входят три стендовые установки (СУ) для испытания АПД мощностью от 20 до 500 л.с. Система управления работой СУ и информационно-измерительная система выведены на общий пульт управления, оснащенный тремя рабочими местами.

Рис. 1. Двигатель и гидротормоз

Все три установки объединены информационной сетью для управления общим технологическим оборудованием. В результате подобного решения общее количество измерительного и управляющего оборудования было сведено к минимуму без какого-либо ущерба для системы управления. Каждая установка представляет собой аппаратно-технологический комплекс и состоит из основного испытательного оборудования и информационно–измерительной системы.

Основное испытательное оборудование включает:

‒ пульт управления работой двигателя и стендовых систем (ПУ), входящий в состав единого пульта управления;

‒ система подвода воздуха на вход в двигатель и отвода выхлопных газов;

‒ силовое оборудование (рама установки загрузочного устройства, монтажные стойки двигателя);

‒ система отбора мощности (загрузки двигателя) с устройством измерения крутящего момента и тяги. Измерение тяги производится для двигателя с воздушным винтом, где измеренное значение оценивается как информационное;

‒ единая топливная система;

‒ система охлаждения двигателя;

‒ система запуска двигателя;

‒ система питания, загрузки и охлаждения двигательных агрегатов;

‒ автоматизированная система управления технологическим процессом испытания (АСУТП-И), включающая информационно-измерительную систему (ИИС).

Единый пульт управления (ПУ) предназначен для размещения органов управления технологической частью испытательного стенда и СУ. Он включает в себя три ПУ, функционально объединенных в единый испытательный исследовательский комплекс и представляет собой совокупность измерительных, контрольных, управляющих модулей (рис. 2).

Рис. 2. Пульты управления

В состав каждого ПУ входят: сенсорная панель оператора, элементы управления двигателем и нагрузкой, элементы управления в виде кнопок, ключи, сигнальные лампы и монтажные панели с оборудованием управления, информационно-измерительная система с источником бесперебойного питания.

Система управления представляет собой комплекс электротехнических, электронных средств, средств измерения, объединенных в систему, предназначенную для выполнения задач формирования сигналов управления технологическим оборудованием и преобразование электрических сигналов первичных датчиков в значения единиц измерения физических параметров стенда.

Силовая (монтажная) часть стендовой установки предназначена для создания монтажной базы элементов состава стенда и включает в себя: плиту установки загрузочного устройства, монтажные элементы крепления двигателя, винтовые стойки, кабельные лотки и крепежную арматуру.

Система подвода воздуха на вход в двигатель обеспечивает непрерывную подачу контролируемого количества воздуха, необходимого при работе двигателя, и состоит из измерительного воздуховода, установленного на опорах.

Система отвода выхлопных газов обеспечивает нормальное удаление отработавших газов (ОГ) и глушения шума выпуска. Она состоит из газопровода, выводящего ОГ через трубу в атмосферу.

Система отбора мощности (загрузки двигателя) включает в себя устройство измерения крутящего момента и тяги (измерение тяги производится для двигателя с воздушным винтом).

Система загрузки двигателя предназначена для создания условий измерения крутящего момента на валу двигателя, регулирования режима испытаний. Она состоит из гидротормоза и динамометра для измерения величины крутящего момента. Гидротормоз через вал отбора мощности и упругую муфту соединен с двигателем.

Система загрузки двигателя обеспечивает:

‒ полное поглощение мощности, развиваемой двигателем на всех режимах его работы;

‒ возможность плавного бесступенчатого регулирования в заданном диапазоне нагрузки и частоты вращения;

‒ стабилизацию режима загрузки при неизменном положении органов управления;

‒ возможность дистанционного управления из пультовой.

Единая топливная система состоит из трех топливных баков, связанных магистралями подачи топлива; магистралей подачи топлива; шаровых кранов выбора топлива, защитных отсечных топливных клапанов; измерителя массы топлива, соединенного одним патрубком с топливной станцией, создающей в ТС давление, необходимое для подачи в двигатель; кабельных трасс для передачи электрических сигналов. Служит для обеспечения бесперебойного снабжения двигателя топливом на установившихся и нестационарных режимах в течение этапа испытаний с заданными параметрами.

Система охлаждения двигателя состоит из двух вентиляторов, установленных на поворотной платформе, с возможностью задания направления подачи воздуха, двух гибких рукавов с элементами согласования и крепления, телескопических стоек, установленных на опорную плиту, шкафа управления и кабельных трасс для передачи электрических сигналов. Система осуществляет поддержание температурного состояния двигателя и агрегатов в заданных пределах. Управление воздушной системой осуществляется с помощью ПУ.

Водяная система состоит из градирни, накопительного бака, подающего насоса, промежуточного бака, установленного на высоте 5 м, системы магистралей подачи и отвода воды с шаровыми кранами, кабельных трасс для передачи электрических сигналов, двухконтурных теплообменников, контуры которых соединены с системой оборотного водоснабжения и системой охлаждения двигателя. Водяная система оборудована шкафом управления, резервным водяным насосом, датчиками температуры и давления, необходимыми для формирования контрольных сигналов. Поддерживает температурный режим ГТ и АПД при обязательном условии: расход воды не менее 20 л/кВтч; температура выходящей воды не более +70ºС, давление воды в системе –не менее 0,5 бар.

Система загрузки агрегатов двигателя состоит из шкафа с нагрузочными ТЭНами до 10 кВт и ключами управления на ПУ, кабельных трасс для передачи электрических сигналов. Контроль значения мощности выводится на ПУ. Предназначена для загрузки двигательных агрегатов с целью имитации отбора мощности на нужды летательного аппарата.

Система запуска двигателя состоит из пускозарядного устройства, органов управления на ПУ, кабельных трасс для передачи электрических сигналов. Осуществляет подачу напряжения 12–24 В на стартер двигателя и является общей для всех СУ.

Информационно-измерительная система (ИИС) ‒ это комплекс приборов, установленных в заданных точках технологического оборудования, для измерения технологических и физических параметров во время испытания, для создания контуров АСУ.

Принцип работы ИИС заключается в измерении параметров АПД датчиками физических величин, преобразовании их в электрические сигналы, преобразовании электрических сигналов в цифровой код и передаче цифровой информации в персональный компьютер (ПК) со специализированным программным обеспечением для обработки, отображения, протоколирования и хранения результатов испытаний.

Важно отметить, что при разработке органов управления учитывалась способность системы к проведению локальной модернизации в сжатые сроки. Это было достигнуто за счет использования уникального программного обеспечения (ПО), разработанного специалистами АО «Турботехника».

Средство визуализации и управления имеет 10-дюймовый тачскрин экран, с помощью которого осуществляется процесс испытания. Эргономика основного экрана управления совместно с информационно-измерительной системой отражает всю необходимую информацию, а также позволяет осуществлять все манипуляции в процессе испытаний посредством виртуальных органов управления (рис. 3).

Рис. 3. Экран управления стенда

С целью обеспечения безопасности персонала были исключены все вредные среды из пультового помещения и локализованы в испытательном боксе. Перед проведением испытаний оператор моторного стенда имеет возможность задать предельно допустимые отклонения важных технологических параметров. Имеются два вида ограничений: «предупреждение» и «отключение». Если измеряемый параметр превышает границу «предупреждения», на экране появляется соответствующая индикация, предупреждающая о приближении к допустимой границе. При превышении границы «отключение» происходит автоматическая остановка испытания в аварийном режиме.

По окончании испытаний средства визуализации позволяют просматривать ретроспективу процессов в виде графического и табличного выражения. Пользователь имеет возможность просмотреть весь процесс испытания и сравнить несколько графиков. Также для отслеживания критических состояний используется лог событий, который фиксирует все отклонения от нормы и всевозможные сбои.

В результате проделанной работы испытательный стенд был своевременно изготовлен и сдан в эксплуатацию.

Литература

1. Каминский В. Н., Каминский Р. В., Ковальцов И. В., Корнеев С. А. Исследовательское оборудование с программным функционалом // Наукоград. 2016. № 3 (9). 2016. С. 32–35.

2. Ковальцов И. В., Каминский Р. В., Каминский В. Н., Сибиряков С. В., Корнеев С. А., Зайцев О. Г. Стабилизация температуры газа и оборотов ротора на стенде контрольно-исследовательских испытаний турбокомпрессоров средствами автоматизации // Известия МГТУ МАМИ. 2014. № 4 (22). Т. 1. С. 32–35.

#авиационныепоршневыедвигатели #автоматизация #BR #AutomationStudio #экспериментальныймоторныйстенд #гидравлическоенагрузочноеустройство #информационноизмерительнаясистема #турботехника #инжиниринг #моторныестенды

© 2015-2019  Научно-публицистический журнал. ISSN 2313-7533

Использование материалов, опубликованных в журнале «Наукоград Наука Производство Общество», допускается только с письменного разрешения редакции.