Главная → Примеры внедрения → Стенд для акустических испытаний биротативных вентиляторов авиадвигателей

Стенд для акустических испытаний биротативных вентиляторов авиадвигателей

С 2001 года НПП «МЕРА» является постоянным партнёром Центрального Института Авиационного Моторостроения им. П.И. Баранова (ЦИАМ). Наше предприятие автоматизировало несколько испытательных стендов научно-испытательного центра ЦИАМ и продолжает тесно сотрудничать с этой организацией в части разработки и ввода в строй новейших измерительных систем на испытательных стендах. Одним из примеров такого сотрудничества является создание автоматизированного комплекса стендовых испытаний (АКСИ) Ц-3А. Кроме России аналогичными комплексами обладают только США, Китай и Германия.

АКСИ предназначен для проведения комплексных исследований биротативного вентилятора и, в первую очередь, его акустических параметров. Целью создания АКСИ была автоматизация процесса сбора, регистрации и обработки информации, а также обеспечение визуального контроля параметров в режиме «реального времени» при акустических испытаниях биротативного вентилятора. Объект автоматизации — стенд Ц-3А представляет собой безэховую заглушённую камеру для изучения распределения шумов и других акустических исследований. Одной из важнейших задач при создании современных авиационных двигателей является снижение уровня шума. Поэтому ведущему научно-исследовательскому институту авиационной отрасли необходимо иметь хорошо оснащённый стенд для проведения акустических испытаний. Такие исследования позволяют получать помимо необходимых экспериментальных данных о работе объекта испытаний большой объем информации о шумах и шумовых эффектах, производимых авиационным двигателем, его узлами и агрегатами.

В соответствии с техническими требованиями АКСИ должен при необходимости легко модернизироваться. Следовало предусмотреть возможность увеличения количества существующих измерительных каналов и возможность комплектации измерительными каналами новых типов. Согласно техническому заданию НПП «МЕРА» должно было осуществить поставку системы «под ключ» и провести обучение персонала заказчика работе с АКСИ. Для выполнения этого задания НПП «МЕРА» предстояло осуществить следующий комплекс мероприятий:

согласование технических требований на систему;
разработку технического проекта;
разработку конструкторской документации;
изготовление составных частей системы;
монтаж системы на стенде;
пуско-наладочные работы системы на стенде;
приёмо-сдаточные испытания;
обучение специалистов;
доводку системы на стенде, участие в испытаниях и отработку программного обеспечения, сопровождение в эксплуатации.

Подобный комплексный подход к автоматизации испытательного стенда имеет ряд несомненных достоинств. По итогам работ предприятие-заказчик получает автоматизированный стенд, обладающий следующими преимуществами:

единство форматов измерительных данных;
единую синхронизацию измерительной информации по каналам статических и динамических измерений;
единое ПО для анализа зарегистрированной информации;
единообразный интерфейс пользователя;
отсутствие необходимости в большой номенклатуре ЗИП.

Осуществление комплексного подхода под силу немногим компаниям, не только российским, но и зарубежным. Одно из лидирующих мест среди российских предприятий, предлагающих комплексное решение по созданию автоматизированных информационно-измерительных систем, занимает НПП «МЕРА».

Отличительной особенностью стенда Ц-3А для акустических испытаний является большая номенклатура измерительных каналов. Помимо подсистемы измерения акустических параметров в состав АКСИ входят информационно-измерительная подсистема, состоящая из подсистемы измерения динамических параметров и подсистемы измерения статических параметров. К АКСИ относятся также подсистема автоматизированного управления, подсистема измерения метеорологических параметров (температура, влажность, давление, скорость и направление ветра) и факультативные подсистемы.

Подсистема измерений пульсаций давления

Измерительные каналы АКСИ Ц-3А

Тип измеряемой величины	Количество каналов	Погрешность измерения, %
Акустические параметры	>20	-
Динамические параметры
Пульсации давлений	>70	±1
Радиальные зазоры	>10	0,05 мм
Динамические напряжения лопаток	>15	±1
Динамические напряжения лопаток с радиотелеметрической системы	>15	±1
Виброускорения корпусов	>10	<2
Виброускорения лопаток	>15	<2
Статические параметры
Давление	>450	<0,12
Температура	>250	0,5 (с учётом погрешности компенсации температуры холодного спая термопар)
Частота вращения	>10	0,001 от измеряемой величины

Внедрённый НПП «МЕРА» АКСИ отвечает всем современным требованиям и построен по принципу распределённой многоуровневой системы. На нижнем уровне измерений применяются станции сбора данных (ССД) на платформе измерительно-вычислительных комплексов (ИВК) типа MIC, выполняющих функцию измерительного сервера. Производимые НПП «МЕРА» ИВК MIC зарекомендовали себя как точные, надёжные, удобные в эксплуатации программно-аппаратные средства. Они созданы на высококачественной современной элементной базе и легко интегрируются с оборудованием других производителей. К достоинствам данных ИВК можно отнести модульное построение и унифицированный интерфейс. Комплексы MIC имеют сертификат Госстандарта России об утверждении типа средств измерений (RU.C.34.010.A №18031). ССД осуществляют сбор и хранение измерительных данных, а также по запросу оператора передают данные на верхний уровень — автоматизированные рабочие места операторов (АРМ).

Верхний уровень реализован на основе операторских станций промышленного исполнения. На компьютерах устанавливается специализированное программное обеспечение для приема и распределения потоков данных с нижнего уровня и наглядного отображения процесса испытаний. Несомненным достоинством и серьёзным технологическим преимуществом АКСИ является подсистема измерения динамических параметров, позволяющая одновременно регистрировать свыше 140 динамических процессов. Благодаря наличию станции единого времени возможна регистрация параметров объекта испытаний в единой шкале времени всеми подсистемами.

Система измерений акустических параметров

Подсистема измерений акустических параметров, построенная на базе прибора MIC-300М, осуществляет регистрацию параметров с частотой дискретизации до 216 кГц/канал по 24 каналам одновременно. Система также выполняет функции:

автоматическое управление параметрами усилителей В&К Nexus;
просмотр в темпе регистрации информации в виде осциллограмм, узкополосных и 1/3-октавных спектров;
учёт системной и микрофонной поправок;
наличие фильтров с характеристиками типа A, B;
автоматический учёт метеорологических параметров.

Вид одного из рабочих окон с 1/3 октавным спектром Регистратор-анализатор MIC-300M

Подсистема измерений акустических параметров позволяет решать весь комплекс задач акустических испытаний:

проведение стендовых измерений;
оценка шума от определенных источников;
расчёт уровней шума;
составление карты уровней шума;
архивация данных;
подготовка отчётов для экспертов.

В соответствии со стандартом в отчёт включается следующая информация:

результаты измерений;
типы измерительных приборов;
настройки измерительных приборов;
методы расчётов;
преобладающие условия;
атмосферные условия;
тип поверхности между источником и приёмником;
изменчивость источника шума;
данные калибровки;
дата, время начала и окончания измерения;
описание исследуемых источников шума.

Программное обеспечение подсистемы измерения акустических параметров отображает карту с обозначением местоположения источников шума, соответствующих объектов и наблюдательных точек. Эта экранная форма имеет два окна, позволяющие охарактеризовать текущую конфигурацию микрофонов.

Например, при расположении микрофонов на одной дуге конфигурация будет охарактеризована как "Arc" с определенным расстоянием от источника звука в сантиметрах.

Для анализа данных, полученных в результате испытаний, исследователь может выбрать:

узкополосный анализ 0 … 20 кГц;
узкополосный анализ 0 … 50 кГц;
третьоктавный спектр 50 Гц … 80 кГц.

В созданной подсистеме измерения акустических параметров учтены все наиболее важные факторы, влияющие на распространение шума в общем случае:

тип источника (точечный или линейный);
расстояние от источника;
атмосферное поглощение;
ветер (при расстоянии менее 50 м до источника влияние незначительно);
температура и температурные отклонения;
препятствия в виде барьеров (например, стендовых конструкций);
поглощение стенами, полом и потолком;
отражение;
влажность;
атмосферные осадки.

Таким образом, полученный в процессе измерений результат оказывается максимально приближенным к реальным условиям работы объекта испытаний.

Послеэкспериментальная обработка данных акустических испытаний позволяет определять тип шума при различных внешних условиях и режимах работы испытываемого объекта. Это является весьма ценной возможностью подсистемы измерения акустических параметров, поскольку именно тип шума оказывает существенное влияние на субъективное восприятие шума. Так, например, низкочастотный шум обладает существенной акустической энергией и влияет на человека гораздо больше, чем можно было ожидать по уровню звукового давления. Тоны в шуме могут свидетельствовать о разбалансировке или циркулярном биении, вызывающих вибрацию, которая, передаётся через поверхность изделия в воздух. Различают также непрерывный, неустойчивый, импульсный шумы.

Подсистема измерений динамических напряжений

Важнейшими характеристиками подсистемы измерения динамических параметров являются:

рабочая полоса частот:
- до 98 000 Гц для измерений пульсаций давлений, динамических напряжений и радиальных зазоров;
- до 28 000 Гц для измерений вибраций корпусов;
работа в едином времени с остальными подсистемами;
развитые средства визуализации в темпе регистрации информации и при послеэкспериментальной обработке;
расчет и отображение скачков уплотнения давления.

В подсистеме измерения динамических параметров впервые применен набор модулей-кондиционеров на базе крейтов MIC-036 RXI. В один крейт может быть установлено до 16 модулей усилителей-преобразователей сигналов тензодатчиков МЕ-320, обладающих следующими характеристиками:

полоса пропускания 0...100 кГц;
программируемый коэффициент усиления 1…1000;
неравномерность АЧХ в полосе пропускания 0,5 дБ;
максимальный уровень синфазной помехи 300 В;
поддержка подключения ?-, ?- и мостовых тензодатчиков;
наличие функции автобалансировки и др.

Система измерений медленноменяющихся давлений

Подсистема измерений радиальных зазоров

Бесконтактные измерения вибраций лопаток

Для бесконтактного измерения вибраций лопаток дискретно-фазовым методом (tip timing) в подсистеме измерения динамических параметров использованы модули МЕ-052 и МЕ-405. Восьмиканальные модули МЕ-052 предназначены для преобразования сигналов напряжения произвольной формы в прямоугольные импульсы, МЕ-405 — для преобразования сигналов емкостных датчиков в сигналы напряжения. Бесконтактный метод измерения вибраций лопаток был разработан специалистами «ЦИАМ» и реализован с использованием аппаратуры НПП «МЕРА».

Управление режимами работы испытываемого изделия осуществляется с помощью подсистемы автоматизированного управления, которая позволяет отказаться от большого количества традиционных средств управления: тумблеров, кнопок, переключателей и т.п. Все эти устройства отображаются на экране подсистемы.

Созданная сотрудниками ЦИАМ подсистема автоматизированного управления выполненная на базе ИВК MIC-400 производства НПП «МЕРА», осуществляет:

измерение давлений, температур, крутящих моментов, числа оборотов, расходов;
регистрацию дискретных параметров;
выдачу сигналов аналогового управления по напряжению и по току;
выдачу сигналов дискретного управления, в том числе сигналов управления, силовой автоматикой.

Немаловажными характеристиками современной аппаратуры принято считать эргономические качества. НПП «МЕРА» уделяет большое внимание потребительским свойствам своего оборудования. Создавая АКСИ Ц-3А, разработчики позаботились, чтобы дизайн модулей системы, стоек, приборных шкафов, пультов управления, экранных форм отвечал современным требованиям, а работать с системой было удобно и приятно.

Совместными усилиями ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» и НПП «МЕРА» был создан уникальный, имеющий не более трёх аналогов в мире, стенд для акустических испытаний. Открытая модульная структура его измерительного комплекса позволяет практически неограниченно наращивать мощность системы, а многоуровневая архитектура построения программных и аппаратных средств повышает надежность системы. Единое программное обеспечение и унифицированные форматы данных облегчают освоение системы конечными пользователями, а высокая степень автоматизации значительно повышает эффективность процесса испытаний.

Подсистема измерений вибраций корпусов

Подсистема измерений температур и оборотов