Створення вбудованого вимірювача крутильного моменту на валу вентилятора турбореактивного двоконтурного двигуна

Abstract

Однією з головних проблем створення авіаційних турбореактивних двигунів із високим і надвисоким ступенем двоконтурності є проєктування та випробування вентиляторів. Підвищення ККД вентиляторів двигунів зазначеного класу потребує розв’язання ряду складних взаємопов’язаних задач в області газової динаміки, матеріалознавства, міцності, аналізу коливань, технології та інших областях. Однією з цих задач є визначення характеристик вентилятора за результатами його випробувань. Предметом дослідження є процес формування вбудованого вимірювача крутильного моменту вала вентилятора, який складається з апаратної та програмно-алгоритмічної частин. Метою є забезпечення визначення крутильного моменту на режимах роботи двигуна, характерних для випробувань з метою побудови характеристики вентилятора. Задачі, що розглянуто в роботі: обґрунтування необхідності створення вбудованого вимірювача крутильного моменту для забезпечення стендових випробувань з метою визначення характеристик вентилятора; побудова конструкції апаратної частини вимірювача з мінімальними доробками деталей двигуна; опис теплової моделі вала на базовому режимі роботи двигуна; розробка методики визначення параметрів граничних умов теплообміну вала на нерозрахункових режимах роботи двигуна; формування методичної частини вимірювача крутильного моменту, інтегрованого до складу конструкції двигуна. Для цього використовуються методи математичного скінченно-елементного моделювання температурного та деформованого стану конструктивних елементів, а також теорії теплообміну. Наукова й практична новизна: запропоновано конструктивну доробку вала вентилятора, яка забезпечує встановлення зубчастого індуктора та реалізацію великої мірної бази, що підвищує точність; сформовано математичну скінченно-елементну модель вала, що забезпечує зв’язок між крутильним моментом і кутом скручування; запропоновано використовувати методи теорії подібності для визначення зв’язку між параметрами, що визначають умови нагрівання та охолодження вала, з вимірюваними параметрами робочого тіла в проточній частині двигуна; сформовано структуру методичної частини вимірювача крутильного моменту, вбудованого в конструкцію ротора двигуна.

One of the main problems in the development of turbofan engines with high and ultra-high bypass ratios is the design and testing of fans. Increasing the efficiency of fans of engines of the specified class requires solving many complex interrelated problems in the fields of gas dynamics, materials science, strength, vibration analysis, and technology. One of these tasks is to determine the fan characteristics based on the results of its tests. The subject of this study is the development of a builtin fan shaft torque meter, which consists of hardware and software-algorithmic parts. The goal was to determine the torque in all engine operating modes typical of the fan characteristic tests. Tasks considered in the work: substantiation of the need to create a builtin torque meter to provide bench tests to determine the characteristics of the fan; construction of the design of the hardware part of the torque meter with minimal modifications of engine parts; description of the thermal model of the shaft in the basic mode of engine operation; development of a methodology for determining the parameters of the boundary conditions of shaft heat exchange in offdesign engine operating modes; formation of the methodological part of the torque meter integrated into the structure of the engine. For this purpose, the methods of mathematical finite element modeling of the temperature and deformed states of structural elements, as well as the theory of heat exchange, are used. Scientific and practical novelty: a constructive modification of the fan shaft is proposed, which ensures the installation of a toothed inductor and the implementation of a large measurement base, which increases accuracy; a mathematical finite element model of the shaft is formed, which ensures the connection between the torque and the twist angle; it is proposed to use the methods of the theory of similarity to determine the relationship between the parameters determining the conditions of heating and cooling of the shaft, with the measured parameters of the working substance in the gas flow duct of the engine; the structure of the methodological part of the torque meter built into the structure of the engine rotor is formed.