Особенности измерения параметров авиационных двигателей в процессе испытаний. Основы теории и практики планирования экспериментов

Оглавление
Особенности измерения параметров АД .............................................................. 2
Измерения разных параметров .............................................................................. 5
Теория планирования эксприментов ..................................................................... 7
Планирование эксперимента при испытаниях АД .............................................. 9
Особенности измерения параметров АД
Измерение — это нахождение значения физической величины опытным
путем с помощью специальных технических средств. Виды измерений:
прямые, косвенные, совокупные и совместные. На практике все измерения
выполняются с определенной степенью приближения. Возникновение
погрешностей связано с несовершенством методов и средств измерений,
влиянием условий измерений и действиями персонала, выполняющего
измерения. Класс точности прибора — это обобщенная характеристика
средств измерения, численно равная наибольшей относительной погрешности
прибора, выраженной в процентах.
Под средством измерения понимают техническое средство (или их
комплекс), предназначенное для измерения, имеющее нормированные
метрологические характеристики и (или) хранящее единицу физической
величины, размер которой остается неизменным в течение известного
интервала времени. Чувствительность средства измерения δ — это его
свойство, определяемое отношением выходного сигнала Δу к вызывающему
изменению входной величины Δх.
Достижения в разработке и миниатюризации элементов измерительных
устройств позволяют существенно увеличивать объем измерений при
испытаниях
авиационных
ГТД.
Однако
установка
дополнительных
приемников давления, термопар и датчиков других параметров может оказать
влияние на параметры потока, изменить гидравлические сопротивления,
ослабить детали и т.п. В зависимости от принятой на двигателе системы
управления и способа отладки измерение параметров проводится на режимах,
соответствующих
измеренным
или
приведенным
значениям
частоты
вращения ротора двигателя для данного режима, а также на режимах с
ограничением по отдельным параметрам (частоте вращения одного из
2
роторов, степени повышения давления воздуха за компрессором, температуре
газов перед или за турбиной и других). Режим работы двигателя задается
положением рычага управления двигателя (РУД). При этом в соответствии с
принятой программой регулирования должны обеспечиваться получение
основных данных на заданном режиме и ограничение режима по максимально
допустимой величине частоты вращения роторов, степени повышения
давления в компрессоре, температуры газов за турбиной и др. При измерении
параметра
несколькими
датчиками
разработаны
порядок
оценки
достоверности проводимых измерений, а также порядок выбраковки
отдельных измерений и перепроверок в тех случаях, когда оценка величины
измеряемого параметра производится по осреднению показателей этих
датчиков. Параметры двигателя, как правило, измеряются на основных
режимах без отбора воздуха на нужды воздушного судна (ВС) и без загрузки
агрегатов, установленных на двигателе и используемых на нужды ВС. На
двигателях, на которых техническими условиями дополнительно обусловлен
и режим с повышенным отбором воздуха на нужды ВС (на струйную систему
управления положением летательного аппарата, на сдув пограничного слоя и
другие), некоторые параметры измеряются также на режимах с отбором
воздуха в количестве, установленном техническими условиями. Для отладки
и проверки ограничителей максимальных значений отдельных параметров,
установленных на двигателе (частоты вращения роторов, температуры газов,
давления воздуха за компрессором), могут на время испытаний применяться
съемные устройства. Регламент вывода двигателя на контролируемый режим
и порядок измерения параметров оговорены в программе на проведение
испытаний. Время выдержки двигателя на заданном режиме при проведении
измерений на режимах, по которым оценивается соответствие двигателя
техническим условиям, должно быть не менее времени, при котором
обеспечивается установившийся характер всех контролируемых параметров.
Величина
этого
времени
оценивается
экспериментальным
путем
и
оговаривается в программе. Время выдержки перед измерением параметров на
3
отдельных режимах, на которых недопустима продолжительная работа, может
быть уменьшено до величины, устанавливаемой разработчиком. В этих
случаях должен быть обусловлен порядок определения параметров для оценки
основных данных двигателя (узла) на таких режимах. При испытаниях
двигателей на стендах предприятий используются средства измерений,
допущенные Госстандартом РФ к применению, после их государственной или
ведомственной
метрологической
аттестации
и
средства
измерений
специального назначения после ведомственной метрологической аттестации,
имеющие аттестаты, свидетельства и поверительные клейма. Ко всей
измерительной аппаратуре, применяемой при испытаниях двигателей,
прилагается техническая документация, регламентирующая эксплуатацию и
поверку средств измерений. Оценка погрешностей средств измерения и форма
представления результатов измерений должны соответствовать требованиям
государственных стандартов и методике измерения. Вся техническая
документация
метрологического
обеспечения
испытаний
(программы
метрологической аттестации, методики поверки, методики выполнения
измерения) проходит метрологическую экспертизу в отделе главного
метролога
изготовителя
двигателя.
Измерения
параметров
двигателя
необходимо проводить по методикам выполнения измерения, разработанным
и аттестованным в соответствии с требованиями государственных стандартов.
Методика выполнения измерения для двигателя согласовывается с НИИ
промышленности и заказчика. Погрешность измерения параметров двигателя
определяется интервалом, в котором с установленной вероятностью Р = 0,95
находится суммарная погрешность измерения. В тех случаях, когда измерение
нельзя повторить, помимо границ погрешности результата измерения,
соответствующих доверительной вероятности Р = 0,95, допускается указывать
границы для доверительной вероятности Р = 0,99. Определение суммарных
погрешностей измеряемых параметров двигателя необходимо проводить для
рабочих условий, указанных в программах стендовых испытаний. Требования
к объему и точности измерения параметров для конкретного типа двигателя
4
должны
устанавливаться
разработчиком
с
учетом
обеспечения
метрологической точности определения параметров в зависимости от
заданной точности их поддержания в техническом задании. Для выносных
коробок приводов агрегатов, редукторов и трансмиссии требования к
допустимой
погрешности
измерения
параметров
устанавливаются
разработчиком и согласовываются с НИИ промышленности и заказчика.
Измерения разных параметров
1. При изучении движения жидкости и газа различают понятия
статического давления и давления заторможенного потока. Давлением,
которое учитывает скоростной, динамический напор (pV2)/2, называется
давление заторможенного без потерь потока. Исходя из этого, формируются
методы определения указанных параметров. Если в месте расположения
критической точки выполнить отверстие и соединить его трубопроводом с
манометром, то прибор покажет величину давления заторможенного потока.
Это — простейший цилиндрический приемник давления заторможенного
потока. Такой приемник, несмотря на свою простоту, имеет достаточно
хорошую точностную характеристику (погрешность измерения давления
оставляет менее 1 %). Измерение статического давления на поверхности тел и
стенок каналов осуществляется с помощью дренажирования, т.е. с
применением специально выполняемых дренажных отверстий в стенках тел и
каналов. К форме и расположению дренажных отверстий предъявляются
определенные
требования:
ось
отверстия
должна
быть
строго
перпендикулярна поверхности; диаметр должен быть в пределах 0,5... 1,5 мм.
Для измерения статического давления в потоке также применяются Гобразные и дисковые насадки различных конструкций. Давления газов или
жидкостей измеряют с помощью манометров. При испытаниях ГТД
наибольшее распространение получили жидкостные, механические и
5
электрические
манометры,
тензорезисторные
а
также
дифференциальные
преобразователи
датчики,
датчики
давления
—
избыточного
давления, датчики разряжения (Сапфир, Метран, Honeywell, Kulite, Druck и
др..).
2. На практике применяются многочисленные методы измерения
температуры. Жидкостные термометры. Работа жидкостных термометров
основана на изменении объема жидкости при изменении температуры.
Термометры электросопротивления — это приборы, в которых для измерения
температуры
используется
свойство
металлов
при
нагревании
или
охлаждении изменять электрическое сопротивление. Термоэлектрические
термометры (термопары). Принцип работы термопары основан на том, что в
цепи, составленной из двух разнородных проводников (термоэлектродов),
возникает электрический ток, если места соединения проводников (спаи)
имеют разную температуру. Силы, вызывающие этот ток, называются
термоэлектродвижущимися
силами.
Термоиндикаторные
краски
—
химические вещества, изменяющие свой цвет при нагреве выше определенной
температуры и сохраняющие его затем при охлаждении.
3. Существует достаточно большое количество методов измерения
расходов топлива, основанных на различных физических принципах
(дроссельные расходомеры, скоростные расходомеры, объемные и массовые
расходомеры, ультразвуковые расходомеры). Наиболее распространенными
являются дроссельные и скоростные расходомеры, позволяющие измерять
мгновенные и суммарные расходы топлива соответственно. Дроссельные
расходомеры относятся к устройствам переменного перепада давлений и
представляют собой местное сужение трубопровода, в котором поток
разгоняется, а статическое давление уменьшается.
4. Определение величины скорости потока при испытании двигателей
производят по уравнению Бернулли. Для газовых потоков малой скорости (M
≤ 0,25) пользуются формулой для несжимаемой жидкости. Приведенная
6
скорость λ определяется с помощью газодинамических функций в
соответствии с величиной р / р*, полученной при измерениях, также как и
температура Т* Определение направления скорости в потоках. Для этого
могут быть использованы методы визуализации потоков. Стенки канала
выполняют прозрачными, а поток делают видимым за счет введения
специальных наполнителей. Методы визуализации дают хорошие результаты
при сравнительно малых скоростях потока (до 50 м/с).
5. Оценка напряжений, возникающих в конструкции элемента
двигателя, производится через измерение величин деформаций. Измерение
деформаций производится методом тензометрирования.
Теория планирования экспериментов
Исследования авиационных ГТД весьма значительны и избежать их
невозможно, поэтому остается единственное — свести их к минимуму, в
частности, за счет применения методов, приведенных на рис. 3.1. При этом
большую роль при проведении экспериментальных исследований играет
методология
планирования,
основанная
на
теории
планированного
эксперимента. Конечной задачей эксперимента, как правило, является
получение
модели,
адекватно
описывающей
исследуемый
процесс.
Применение методов оптимального планирования эксперимента позволяет
получить математическую модель процесса даже при отсутствии сведений о
его механизме.
7
При этом исследуемый процесс рассматривают в виде «черного ящика»
(рис. 3.2) с вектором У, с составляющими у1, у2 , уз ,...уn (параметрами или
функциями
отклика)
и
действующими
на
его
входе
параметрами,
разделяющимися на три группы: х, w и z Первая группа представляет собой kмерный вектор X управляемых параметров, которые можно контролировать и
целенаправленно изменять в процессе эксперимента. Вторая группа
представляет собой p-мерный вектор W контролируемых, но неуправляемых
параметров {Wi } i=p i=1т.е. не поддающихся целенаправленному изменению
в процессе эксперимента.
Третья
группа
представляет
собой
m-мерный
вектор
Z
неконтролируемых, а следовательно, и неуправляемых входных параметров.
При исследовании процессов, как правило, рассматривают параметры первой
группы:
(3.1)
Очевидно,
что
соответствие
полученных
результатов
эксперимента исследуемому процессу зависит от того, насколько полно в
модели учтены входные параметры, которые в большей степени влияют на
функцию отклика и ее значения {уi }, фиксируемые в процессе проведения
каждого из N опытов. Ценность математического описания, полученного в
результате проведения эксперимента, заключается в том, что оно:
• дает информацию о влиянии факторов;
8
• позволяет количественно определить значения функции отклика при
заданных значениях входных параметров;
• является основой для оптимизации.
Планирование эксперимента при испытаниях АД
Наряду с использованием более совершенного оборудования и
измерительной Техники, автоматизацией проведения и обработки испытаний,
комплексированием программ в практике испытаний широко используется
математическое планирование эксперимента.
Потребность в применении планирования эксперимента обусловлена
тем, что на практике, ввиду сложности рабочих процессов, протекающих в
авиационных ГТД, определение характеристик аналитическим путем не
представляется
возможным,
поэтому
остается
единственное
—
экспериментальное определение.
Возможны также случаи, когда известны эмпирические зависимости,
включающие
константы,
определение
которых
требует
проведения
экспериментального исследования и др.
Теория
оптимального
планирования
эксперимента
позволяет
экспериментатору дать ответы на следующие вопросы:
— как нужно организовать эксперимент, чтобы наилучшим образом
решить поставленную задачу (в смысле затрат времени и средств или
точности результатов)?
— как следует обрабатывать результаты эксперимента, чтобы получить
максимальное количество информации об исследуемом явлении?
— какие обоснованные выводы можно сделать об исследуемом объекте
по результатам эксперимента?
9
Применение планирования эксперимента эффективно при решении, в
основном, двух видов задач:
— планирование эксперимента по выяснению механизма явлений;
—
планирование
эксперимента
при
оптимизации
исследуемых
процессов, т.е. выборе значений влияющих факторов, при котором
достигается экстремум критерия оптимальности.
10