Испытания на разгонных стендах ЦИАМ: интеграция технологий и новые рынки

Авиационный двигатель — высокотехнологичное изделие, в котором сосредоточены самые передовые научные, инженерные решения. До установки двигателя «на крыло» необходимо провести множество его испытаний, прежде всего подтверждающих безопасность его эксплуатации. Ведь разрушение детали двигателя в полете может привести к авиакатастрофе.

К обязательным проверкам двигателя при его создании и сертификации относятся испытания деталей и узлов на разгонных стендах. Об опыте, методиках и важности проведения разгонных испытаний в Центральном институте авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского») мы поговорили с начальником экспериментального отдела отделения «Динамика и прочность авиационных двигателей» ЦИАМ, руководителем исследовательской лаборатории конструкционной прочности сплавов и деталей авиадвигателей Дмитрием Шадриным.

— Дмитрий Владимирович, какова роль испытаний на разгонных стендах при создании двигателя?

— Испытания на разгонных стендах включают несколько различных видов испытаний. Все они, в основном, проводятся для подтверждения безопасности двигателя на этапе сертификации.

При сертификации существует такое понятие, как "основные детали«— то есть критические по последствиям разрушения. К ним относятся, в частности, диски компрессоров и турбин. Образующиеся при разрушении дисков фрагменты обладают большой кинетической энергией и не могут быть удержаны внутри корпусов двигателя. Соответственно, разрушение дисков может привести к авиакатастрофе. Поэтому проводятся испытания для подтверждения их несущей способности. Эксперимент подтверждает, что диски обладают достаточной прочностью, и их разрушение при возможной раскрутке роторов полностью исключено.

— Какие еще испытания проводят на разгонных стендах?

— Проводят циклические испытания, при которых подтверждается циклический ресурс (допустимое количество полетов) основных деталей. На разгонном стенде можно осуществить обрыв рабочей лопатки турбомашины или воспроизвести разрушение ротора стартера, проверяя корпус двигателя на непробиваемость. Существует несколько способов обрыва лопатки, в том числе разработанный и запатентованный в ЦИАМ. Проводятся также испытания на подтверждение стойкости вращающейся лопатки вентилятора при ее соударении с попавшей в двигатель птицей.

Помимо этого, на разгонных стендах можно проводить вибрационные испытания с возбуждением колебаний вращающихся лопаток.

— В чем уникальность разгонных стендов ЦИАМ?

— Наши стенды и методики испытаний сочетают лучшие собственные и мировые решения. У Института огромный опыт создания разгонных стендов и проведения испытаний: первый разгонный стенд был создан в ЦИАМ еще в конце 40-х годов прошлого века. В 2009-2011 гг. в институте реализована большая программа по переоснащению стендовой базы. В ходе этой программы мы приобрели два дополнительных стенда у компании Test Devices, одного из мировых лидеров в этой области. Однако быстро убедились, что даже лучший продукт не полностью соответствует нашим задачами, требованиям наших заказчиков и партнеров. За последние 10 лет ЦИАМ полностью переоборудовал и переоснастил как эти, так и собственные стенды, созданные в 1970-х гг., по сути создав новые продукты.

Например, на стендах Test Devices было полностью переписано программное обеспечение, использованы новые методы измерений, типы датчиков, частично изменена конструкция стендовых систем. Стенд собственной разработки Т14-01Б был переоборудован для проведения уникальных испытаний вентиляторов — на непробиваемость корпусов при отрыве лопатки и на стойкость рабочих лопаток при столкновении с посторонними предметами, в частности, птицами.

— Получается, создание стендового оборудования — тоже задача отдела?

— Да, наш коллектив занимается не только сопровождением и постановкой испытаний. Специалисты разрабатывают новые технологические решения для оснащения стендов: у нас есть достаточный опыт для того, чтобы самим создавать такие системы. В ближайшем будущем мы планируем поставку испытательных стендов нашим заказчикам. Для ЦИАМ это возможность выйти на новые рынки.

— Натурные эксперименты сейчас активно дополняются математическим моделированием. Можно ли частично смоделировать разгонные испытания?

— В Институте математическое моделирование сочетается с механическими испытаниями и физическими исследованиями. Методики расчета уже сейчас позволяют сократить объем испытаний по подтверждению несущей способности деталей и их циклической долговечности, исследовать процесс динамического взаимодействия фрагментов ротора с корпусом, или вращающейся лопатки с птицей. Но при разработке методов расчета необходима их валидация на основании натурных испытаний и опыта эксплуатации двигателя.

— Испытания требуют хорошей инженерной подготовки. Как полученное в вузе образование помогло вам в решении поставленных задач?

— Я не принадлежу к инженерной династии, но горжусь, что окончил МГТУ им. Н.Э. Баумана и являюсь выпускником кафедры «Газотурбинные двигатели». На шестом курсе занятия у нас вел начальник отделения «Динамика и прочность авиационных двигателей» Юрий Александрович Ножницкий, ставший моим дипломным руководителем. Он предложил мне прийти в конструкторское бюро (КБ) отделения. Через полтора года работы в ЦИАМ Юрий Александрович назначил меня ответственным за техническое сопровождение поставки в ЦИАМ новых разгонных стендов.

Вузовская подготовка и работа в КБ сформировали хорошее понимание принципов проектного управления с техническим бэкграундом. В случае необходимости я всегда смогу выполнить «непрофильную» работу, которая требуется, решить внезапно возникшую задачу.

—Пригодился ли вам опыт работы в конструкторском бюро? Какие советы вы бы дали студентам, будущим специалистам?

— Принимая на работу, я провожу сотрудников по тому же пути, который когда-то прошел сам, стараюсь не допустить узкой специализации и концентрации на одной задаче, несмотря на то, что порой встречаю сопротивление. Нельзя замыкаться на чем-то одном. Наверное, это и есть мой главный совет.