Стенд для испытания двигателей

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 175846 б А ч) 6 5/ОО ЕТЕНИЯ ОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(1) Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации (72) П.Ф. Григорьев(56) Авторское свидетельство СССР М 1089286, кл. 6 01 М 15/00, 1980, (54) СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ(57) Сущность; стенд состоит из испытуемого двигателя, на валу которого посажена ведущая шестерня первого редуктора, В зацеплении с зубчатым венцом шестерни находятся. сателлит, вращающиеся на пальцах водила и входящие в зацепление с центральной шестерней. Водило первого редуктора общим валом соединено с водилом второго редуктора. На пальцах второго водила вращаются сателлиты, находящиеся в зацеплении с центральной шестерней и шестерней, приводящей через зубчатый венец и шестерню, вал которой через гидромуфту связан с рабочим колесом лопаточной машины, являющейсч нагрузочным устройством, Центральные шестерни редукторов соединены с гидравлическими месдозами. В выходном патрубке нагрузочного устрой:тва ус ановленл поворотная заслонка, соеди:;енная с помощью рычагов с поршнем гидравлического механизма управления положением заслонки, С входом в цилиндр механизма и выходом из него соединено сравнивающее устройство, состоящее из корпуса с полостями и подвижным золотником. Конструкция стенда позволяет повысить точность регулирования тормозного момента на валу двигателя. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.55 момент сопротивления нагрузочного устройства. Изобретение относится к двигателестроению, а именно к стендам для испытаниядвигателей, например, внутреннего сгорания, газотурбинных и др, и может быть использовано для автоматическогорегулирования загрузки двигателя транспортных машин.Известны стенды для испытания двигателей, состоящие из двигателя с подсоединенным к нему нагрузочным устройством,выполненным в виде электрической машины постоянного тока и системы регулирования и измерения крутящего момента ДВС.Недостатком указанных стендов является сложная система регулирования и измерения крутящего момента двигателя, чтоснижает ее надек ость, повышает расходы,связанные с эксплуатацией стенда. Основным же недостатком является то, что величина крутящего момента двигателяопределяется по косвенным параметрам (повеличине токов якоря и возбуждения электрической машины, зависящих от многихфакторов), что снижает точность измерениякрутящего момента, а следовательно,и качество испытаний,Известны также стенды, у которых нагрузочное устройство выполнено в виде насоса,Недостатком данных стендов являетсято, что использовать их можно для испьтания только маломощных двигателей, а также то что величину крутящего моментазамерять на них нельзя.Наиболее близким к предлагаемому потехнической сущности является стенд, содержащий планетарный редуктор, размещенный между испытываемым двигателеми нагрузочным устройством, выполненнымв виде лопаточной машины, в выходном патрубке которой, сообщающемся с атмосферой, установлена поворотная заслонка, э вприводе рабочего колеса - гидравлическаямуфта,Недостатком стенда является то, чтодля учета влияния механических потерь лопаточной машины и параметров воздуха(давления, температуры) на выходе из неена величину поглощаемой ею мощности(крутящего момента) требуется значительное усложнение системы автоматическогорегулирования момента сопротивления навалу лопаточной машины как нагрузочногоустройства. снижающее точность измерения,Цель изобретения - повышение точности регулирования тормозного момента навалу двигателя.Поставленная цель достигается тем, чтостенд для испытания двигателей, содержа 10 15 20 25 30 35 40 45 50 щий планетарный редуктор, размещенный между испытываемым двигателем и нагру-. зочным устройством, выполненным в виде лопаточной машины, в выходном патрубке которой, сообщающемся с атмосферой, установлена поворотная заслонка, э в приводе рабочего колеса - гидравлическая муфта,снабжен вторым планетарным редуктором, водило которого соединено с ведущим водилом первого редуктора общим валом, а центральные шестерни планетарных редукторов соединены соответственно через гидравлические месдозы с устройством сравнения крутящего момента двигателя с моментом сопротивления нагрузочного устройства, соединенным с гидравлическим механизмом, связанным с поворотной заслонкой, Кроме того, устройство сравнения крутящего момента двигателя с моментом сопротивления нагрузочного устройства содержит корпус, внутри которого выполнены три полости, две из которых разделены мембраной и соединены соответственно с. гидравлическими месдозами, а третья полость соединена с атмосферой, и расположен подвижный шток с канавками, связанный с мембраной, причем канавки выполнены с возмокностью взаимодействия с отверстиями в корпусе, которые с одной стороны соединены с полостью гидравлического механизма, управляющего заслонкой, а с другой стороны - соответственно с атмосферой и подводящей масляной магистралью.Второй планетарный редуктор необходим для замера момента сопротивления нагрузочного устройства по величине усилия реакции), передаваемого от освобожденной от заделки центральной шестерни этого редуктора гидравлической месдозе, замеряющей усилие,Вал, соединяющий водило первого планетарного редуктора с ведущим водилам второго планетарного редуктора, необходим для передачи вращения от испытуемого двигателя нагрузочному устройству последовательно от первого редуктора к второму, а от него - к нагрузочному устройству,Устройство сравнения необходимо для сравнения между собой величин крутящего момента двигателя и момента сопротивления нагрузочного устройства по разнице давлений масла в месдозах, уравновешивающих усилия, передаваемые на них от освобожденных от заделок центральных шестерен каждого планетарного редуктора Кроме того, устройство сравнения управляет гидравлическим механизмом, регулирующим через поворотную заслонку45 50 На фиг.1 представлена принципиальная схема стенда; нэ фиг,2 - характеристики компрессора, представляющие собой зависимости степени повышения давления л и мощности Нк от расхода воздуха 0 при различной частоте вращения и и характеристики сети С, в виде зависимостей сопротивления Н от расхода 0 при различных положениях заслонки; на фиг.3 - зависимости от частоты вращения и крутящего мо-. мента двигателя Мд при разных положениях ручки управления топливным агрегатом и момента сопротивления компрессора Мпри разных положениях заслонки в выпускном патрубке.Стенд состоит из испытуемого двигателя 1, на валу 2 которого посажена ведущая шестерня 3 первого редуктора. В зацеплении с зубчатым венцом шестерни 3 находятся сателлиты 4. вращающиеся на пальцах водила 5 и входящие в зацепление с центральной шестерней б. Водило 5 первого редуктора общим валом 7 соединено с водилом 8 второго редуктора, идентичного первому планетарному редуктору. На пальцах второго водила 8 вращаются сателлиты 9, находящиеся в зацеплении с центральной шестерней 10 и шестерней 11, приводящей через зубчатый венец 12 и шестерню 13, йосаженное на вал 14 рабочее колесо 15 с патрубком 16 лопаточной машины, являющейся нагрузочным устройством. Центральные шестерни б и 10 первого и второго планетарных редукторов освобождены от заделки (могут свободно поворачиваться в подшипниках) и соединены с идентичными гидравлическими месдозэми 17 и 18. В выходном патрубке 19 нагрузочного устройства установлена поворотная заслонка 20, соединенная с помощью рычагов 21 и 22 с поршнем 23 гидравлического механизма 24 управления положением заслонки 20. Полость гидравлического механизма 24 кранами (вентилями) В 1 и В 2 соединена соответственно с магистралями подачи и отвода масла. С входом в цилиндр гидравлического механизма 24 и выходом из него соединено устройство сравнения, состоящее из корпуса 25. в котором имеются полости П 1. П 2 и Пз и размещен подвижный золотник 26, Полости П 1 и Пг отделены друг от друга упругой мембраной М и соединены с месдозами соответственно 18 и 17. Полость Пзс помощью отверстия Оз соединена с атмосферой. Мембрана М соединена с подвижным золотником 26, на котором выполнены канавки К 1 и К 2.В корпусе 25 выполнены каналы 01 и 02, причем первый из них соединен с выходом 5 10 15 20 25 30 35 40 из цилиндра гидравлического механизма 24 и с атмосферой, а второй - с входом в ци. линдр гидравлического механизма 24 и с подводящей масляной магистралью, В приводе рабочего колеса 15 нагрузочного устройства установлена гидравлическая муфта 27.Стенд для испытания двигателей работает следующим образом.При работе испытуемого двигателя 1 вращение от его выходного вала 2 передается соединенной с ним ведущей шестерне 3 первого планетарного редуктора, а от нее - сателлитам 4 и водилу 5, Усилия, возникающие при этом на освобожденной от заделки центральной шестерне б, пропорциональны величине крутящего момента, действующего на валу двигателя, и воспринимаются гидравлической месдозой 17. в которой уравновешиваются подаваемым в нее маслом. При этом давление масла в камере месдозы всегда пропорционально воздействующей на нее силе, а следовательно, и крутящему моменту.От первого редуктора вращение (и вся мощность двигателя) через вал 7 передается водилу 8 второго планетарного редуктора, а от него через сателлиты 9, шестерни 11, 12 и 13 рабочему колесу 15 нагрузочного устройства. Усилия, возникающие при этом на освобожденной от заделки центральной шестерне 10, пропорциональны моменту сопротивления, действующему на валу 14 нагрузочного устройства, и воспринимаются гидравлической месдозой 18. Давление масла в месдозе пропорционально моменту сопротивления на валу нагрузочного устройства.При одинаковых величинах крутящегомомента двигателя и момента сопротивления нагрузочного устройства давление мэсла в камерах месдоз 17 и 18 будет также одинаковым. Одинаковым оно будет и в полостях П 1 и П 2 устройства сравнения, связанных соответственно с месдозами 18 и 17.Тэк как при этом на мембрану М с обеих сторон будутдействовать одинаковые силы,то она не будет испытывать никаких деформаций прогибов), т.е. окажется в нейтральном состоянии, Золотник 26 при этом такжебудет находиться в нейтральном состоянии, когда оба канала, т.е. 01 и 02, будут перекрыты.Если по каким-либо причинам моментсопротивления нагрузочного устройства окажется больше крутящего момента двигателя, то и давление масла в камере месдозы 18 и в связанной с нею полости П будет больше, чем в камере месдозы 17 и связанной с нею полости П 2, Под воздействием5 10 15 20 25 30 35 40 Когда частота вращения достигнет вели чины, соответствующей режиму малого газа, включают гидромуфту 27, благодаря чему начнется раскрутка рабочего колеса компрессора, Это вызовет возрастание момента сопротивления и давления масла в месдозе 50 18 и в полости П 1. Такая картина будет продолжаться до тех пор, пока величины момента сопротивления нагрузочного устройства икрутящего момента двигателя не сравняются между собой. При этом сравняются 55 также давления масла в месдозах 17 и 18 ив полостях П 2 и П 1, мембрана М и золотнике 26 примут нейтральное положение и заслонка 20 будет зафиксирована в определенном положении, отличном от положения малого газа. разности давлений масла мембрана М при .этом прогнется в сторону полости П 2, что повлечет за собой и соответствующее перемещение золотника 26. Канавкой К 2 канал 02 откроется, и масло под давлением начнет подаваться из подводящей магистрали в цилиндр гидравлического механизма 24, благодаря чему заслонка 20 будет закрываться, Это приведет к уменьшению расхода воздуха через лопаточную машину, а следовательно, и к уменьшению работы, затрачиваемой лопаточной машиной (нагрузочным устройством)на прокачивание и сжатие воздуха. Такая картина будет продолжаться до тех пор, пока развиваемая двигателем мощность не станет равной мощности, потребляемой нагруэочным устройством, т,е, когда крутящий момент двигателя станет равным моменту сопротивления нагрузочного устройства, а давление масла в камерах месдоэ 18 и 17 и соответственно в полостях П и П 2 устройства сравнения также станут одинаковыми, При этом мембрана М и золотник 26 возвратятся в нейтральное положение, а каналы 01 и 02 будут перекрыты,Если по каким-либо причинам момент сопротивления нагрузочного устройства станет меньше крутящего момента двигателя, давление масла в месдозе 18 и связанной с нею полости П 1 станет меньше, чем в месдозе 17 и связанной с нею полости П 2 устройства сравнения моментов. При этом мембрана.М прогнется в сторону полости П 1, канал 01 откроется, что вызовет падение давления масла в цилиндре гидравлического механизма 24 и приоткрытие заслонки 20.Зто приведет к увеличению расхода воздуха через лопаточную машину и работы, затрачиваемой ею на прокачивание и сжатие воздуха, которое будет продолжаться до тех пор, пока крутящий момент двигателя и момент сопротивления нагрузочного устройства не сравняются. При этом мембрана М и золотник 26 опять возвратятся в нейтральное положение.Перед запуском смонтированного на стенде испытуемого двигателя заслонку 20 переводят в положение "малый газ", а полость над поршнем 23 в корпусе 24 гидравлического механизма управления заслонкой заполняют маслом. Для этого включают агрегат подачи масла в устройство сравнения, открывают кран В 1, заполняют сжатым маслом полостью корпусе 24, благодаря чему поршень. передвигается в крайнее левое положение (фиг.1) до упора в регулировочные винты, установленные под поршень либо под заслонку (не показаны).Зто положение заслонки 20 фиксируют по величине давления масла в полости корпуса 24 с помощью манометра (не показан).Так как мембрана М и связанный с нею золотник 26 при этом находятся в нейтральном положении, то вытекание масла из корпуса 24 исключается,Регулировочные винты фиксируют в таком положении, чтобы при упоре в них поршня 23 или заслонки 20 положение заслонки 20 соответствовало режиму малого газа (минимальному режиму) испытуемого двигателя, Закрывают кран В 1 и перекрывают магистраль подачи масла в гидромуфту 27 благодаря чему от двигателя отключается рабочее колесо 15 компрессора,Включают агрегат подачи масла в месдозы 17 и 18, производят раскрутку и запуск двигателя, Рычагом управления агрегатом подачи топлива устанавливают величину его расхода, соответствующую режиму малого газа. При этом одновременно будут протекать дв; процесса. С одной стороны, вследствие того, что нагрузочное устройство (компрессор) отсоединено от двигателя, частота вращения вала двигателя будет быстро возрастать, С другой стороны, по мере увеличения частоты вращения вала двигателя, которая фиксируется с помощью тахометра, обычно устанавливаемого на двигателях внутреннего сгорания (поршневых и газотурбинных), давление масла в мерной камере месдозы 17 и в связанной с ней полости П 2 устройства сравнения повышается,.тогда как в камере месдозы 18 и в полости П 1 практически остается на нуле.Благодаря этому мембрана М прогнется в сторону полости П 1, повлечет эа собой золотник 26, который канавкой К 1 откроет канал 01, масло под давлением пружины начнет выдавливаться из корпуса 24 и заслонка 20 будет открываться, 1758466 1010 15 25 30 35 40 50 Так как при этом рычаг управления агрегатом подачи топливом зафиксирован вположении "малый газ". а заслонка 20 впроцессе разгона двигателя до оборотовмалого газа в силу изложенных выше процессов может быть существенно отклоненаот положения "малый газ", т,е, приоткрытаиз-за выдавливания масла из полости корпуса 24, то дальнейшая раскрутка рабочегоколеса 15 компрессора до сравнивания частот вращения ведущей и ведомой частейгидромуфты из-за большого расхода воздуха окажется невозможной. Поэтому обороты двигателя начнут уменьшаться нижевеличины, равной для режима малого газа.Для предотвращения этого одновременно свключением гидромуфты открывают кранВ 1 и подают масло под давлением в полостькорпуса 24 гидравлического устройства,благодаря чему поршень 23 сдвинется до 2упора в регулировочные винты, а заслонка20 установится в положение "малый газ", Врезультате такой операции частота вращения достигнет величины, соответствующейрежиму малого газа, являющемуся начальным скоростным режимом двигателя, послечего кран В 1 закрывают.Изменение режима работы двигателяпроизводят путем изменения положенияручки (рычага) управления топливным агрегатом, т.е. изменением подачи топлива,При увеличении подачи топлива частотавращения и и крутящий момент двигателябудут повышаться,На фиг.2 показаны характеристики компрессора, представляющие собой зависимость степени повышения давления д имощности 1 чк от расхода воздуха 0 при различной частоте вращения и и характеристи-ки сети С, в виде зависимостей.сопротивления Н от расхода 0 при разныхположениях заслонки, установленной в выходном патрубке. При этомП 1 П 2 ПЗ.,Йк 11 Чк 21 Чкз., ВЕЛИЧИНа УГЛа Открытия заслонкиа ( р 1а , с Ъ ( Ъ - 45начальное минимальное открытие - малыйгаз, уЪ - максимальное открытие заслонки).На фиг.3 даны зависимости от частотывращения и крутящего момента двигателяМдв при разных положениях ручки управлениЯ топливным агРегатом (Мдв 1 Мдв 2 Мдвз)и момента сопротивления компрессора Мкпри разных положениях заслонки в выпуск. ном патрубке.(Оо ф 1 Р 2 ) 55Вследствие увеличения Мд после дачигаза давление масла в месдозе 17 и в полости П 2 начнет повышаться, что повлечет эасобой прогиб мембраны в сторону полости П 1, перемещение вместе с ней золотника 26, открытие канала 01, выдавливание пружиной масла из полости корпуса 24, приоткрытие заслонки 20, увеличение расхода воздуха и момента сопротивления. В течение малого промежутка времени после начала дачи газа заслонка 20 будет еще стоять на упоре малого газа (точки О на фиг.2 и 3) и будет приоткрыта на начальный угол уЪПоэтому до достижения частотой вращения величины п 1 сопротивление сети на участке от точки О до точки 1 изменяется по линии Со, а крутящий момент двигателя - по линии Мко момента сопротивления компрессора, соответствующих начальному углууЪоткрытия заслонки 20,В процессе увеличения частоты вращения от п 1 до п 4 сопротивление сети возрастает по ломаной линии 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7. Но так как увеличение и от п 1 до п 4 происходитнепрерывно и быстро, то действительное изменение сопротивления сети происходит по плавной линии 1 - 7, так как приращения Ьп частоты вращения и Лр угла открытия заслонки - величины бесконечно малые. Поэтой же причине мощность Мк, потребляемая компрессором, и момент сопротивления Мк увеличиваются по плавным линиям 1 - 4" и А - В.После перевода ручки управления топливным агрегатом в положение, когда достигнута требуемая величина частоты вращения п 5, определяемой с помощью тахометра, ручку фиксируют. При этом в соответствии с изложенными процессамизаслонка 20 будет системой автоматически установлена в положение, при котором крутящий момент двигателя уравновешивается моментом сопротивления компрессора. Давление масла в месдозах 17 и 18 и в полостях П 2 и П 1 сравняются, мембрана М и золотник 26 возвратятся в нейтральное положение, система будет поддерживать установленный режим(например, п 5=- сопК М 5 = сопэс).Значение крутящего момента определяют по величине давления масла в мернойкамере месдозы 17, замеряемого с помощью манометра.Для изменения нагрузочного режимапри неизменном скоростном режиме (например, при п 5 = сопэ 1) поступают следующим образом.Допустим, что после установки режима,характеризуемого параметрами и = п 5, М = М 5(точка В на фиг.3), требуется, не изменяячастоты вращения, т,е, поддерживая п 5 =сопэт, уменьшить или увеличить М.5 10 15 20 25 30 35 50 В первом случае уменьшают подачу топлива, для чего убирают (снижают) гаэ до тех пор, пока не будет достигнута требуемая величина момента, При этом момент будет уменьшаться по линии ВА, точка В переместится в точку С, угол р уменьшится от р 4 до В после чего восстановится равенство давлений масла в полостях П 1 и П 2, Открывают кран В 1 и подают сжатое масло в полость 24, благодаря чему заслонка 20 будет прикрываться, что должно было бы повести к уменьшению крутящего момента. Однако, так как рычаг управления подачей топлива в двигатель зафиксирован, в результате прикрытия заслонки произойдет повышение частоты вращения, и когда ее величина станет равной п 5, кран В 1 закрывают,Чтобы увеличить момент дают газу двигателю (повышают подачу топлива), в результате чего точка В переместится в точку. 1. Открывают кран В 2, выпускаютчасть масла из корпуса 24, в результате чего под действием пружины заслонка 20 будет открываться, а частота вращения и уменьшится, и, когда она . станет равной п 5, кран В 2 закрывают.Предлагаемое устройство позволит постоянно с высокой точностью автоматически поддерживать момент сопротивления нагрузочного устройства равным крутящему моменту испытуемого двигателя, что в значительной степени повышает качество испытаний. упрощает технологию их проведения и устройство испытательного стенда.Объясняется это тем, что момент сопротивления нагрузочного устройства и крутящий.момент двигателя замеряются не по косвенным параметрам, а непосредственно путем прямых замеров величин усилий, передаваемых с их выходных валов. При этом любое изменение величины момента сопротивления нагрузочного устройства, связанное с какими-либо нарушениями его нормальной работы или с изменением параметров воздуха, как выходящего из лопаточной машины, так и в окружающем ее пространстве, будет зафиксировано устройством сравнения, которое совместно с исполнительным механизмом, управляющим регулятором загрузки нагрузочного устройства непосредственно восстановят прежнее значение момента сопротивления, равное величине крутящего момента двигателя без введения компенсаций по косвенным параметрам на какие-либо действующие факторы, что отражается на точности и значительно усложняет систему регулирования, как это требуется в известных устройствах,Формула изобретения 1, Стенд для испытания двигателей, содержащий первый планетарный редуктор,размещенный между испытуемым двигателем и нагрузочным устройством, выполненным в виде лопаточной машины, в выходном патрубке лопаточной машины, сообщающемся с атмосферой, установлена поворотная заслонка, снабженная механизмом привода, выполненного в виде размещенного в корпусе подпружиненного поршня, первую гидравлическую месдоэу, кинематически связанную с центральной шестерней первого планетарного редуктора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности регулирования тормозного момента на валу двигателя, стенд снабжен вторым планетарным редуктором, второй гидравлической месдозой и гидравлическим устройством сравнения, имеющим первый и второй входными каналы для подключения к источнику давления контролируемой среды, третий входной канал для подключения к источнику давления рабочей жидкости и три выходных канала, а между выходным валом второго планетарного редуктора и входным валом нагружающего устройства установлена гидравлическая муфта, причем водила первого и второго планетарных редукторов соединены общим валом, центральная шестерня второго планетарного редуктора кинематически связана с второй гидравлической месдозой, выходы первой и второй гидравлической месдозы гидравлически связаны соответственно с первым и вторым входными каналами устройства сравнения, первый и второй выходные каналы которого гидравлически связаны с полостью над поршнем механизма привода, а третий выходной канал устройства сравнения сообщен со сливом,2. Стенд по п,1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что устройство сравнения содержит корпус, внутри которого выполнены три полости, первые две из которых разделены мембраной и гидравлически связаны соответственно с первым и вторым входными каналами устройства сравнения, мембрана снабжена штоком, связанным с золотником, а третья полость устройства сравнения образована внутренней поверхностью корпуса и штоком мембраны иотделена от второй полости через уплотнение в стенке корпуса, причем через канал в стенке корпуса третья полость сообщена с атмосферой, золотник снабжен двумя канавками и установлен с возможностью сообщения слива первого и третьего выходных каналов в корпусе или третьего входного канала с вторым выходным каналом в корпусе при своем перемещении вдоль оси корпуса, 175846 б= Солю орректор С.Лисина еда ктор Заказ 2992 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открыти 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5