Методика выбора представительной группы гибких трубопроводов и проведение их огневых сертификационных испытаний Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.7.036.3.018:621.643

МЕТОДИКА ВЫБОРА ПРЕДСТАВИТЕЛЬНОЙ ГРУППЫ ГИБКИХ ТРУБОПРОВОДОВ И ПРОВЕДЕНИЕ ИХ ОГНЕВЫХ СЕРТИФИКАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ

© М.В. Павлова1, В.Т. Шепель2

ОАО «Научно-производственное объединение «Сатурн», 152903, Россия, Ярославская обл., г. Рыбинск, пр. Ленина, 163.

В настоящее время в авиационной технике широко используются гибкие трубопроводы. Они, в отличие от жестких трубопроводов, обладают хорошими эксплуатационными свойствами, а именно: имеют малый вес, возможность перемещения, отсутствие резонансов. В процессе сертификации двигателей, летательных аппаратов возникает задача испытаний гибких трубопроводов на требования огнестойкости и огненепроницаемости. Сложность задачи сертификации обусловлена многочисленностью гибких трубопроводов, разнообразием их конструктивного исполнения, широким спектром рабочих условий. В статье рассматриваются выбор представительной группы гибких трубопроводов из трубопроводной обвязки двигателя, успешные огневые испытания которой устанавливают соответствие для всех трубопроводов данного типа сертифицируемого двигателя, и методика проведения огневых испытаний.

Ключевые слова: гибкие трубопроводы; огненепроницаемость; огнестойкость; огневые сертификационные испытания.

SELECTION PROCEDURE OF FLEXIBLE LINE REPRESENTATIVE GROUP AND THEIR FIRE CERTIFICATION TESTING М-V. Pavlova, VJ. Shepel

NPO Saturn JSC,

163 Lenin pr., Rybinsk, Yaroslavl region, 152903, Russia.

Today flexible lines are widely used in the aircraft industry. Unlike rigid lines, they feature good operational properties including small weight, portability, and absence of resonances. Certification of aircraft engines sets the goal of testing flexible lines for fire resistance and fireproofness. Complexity of flexible lines certification is caused by their numerosity, variable designs and different operating conditions. The article discusses the selection procedure of a representative group of flexible lines from engine piping. Its successful fire tests establish conformity for all the pipes of the given type of engine under certification. The procedure of fire testing is considered as well. Keywords: flexible lines (piping); fireproofness; fire resistance; fire certification tests.

Создание авиационного двигателя включает ряд этапов, заключительным из которых является сертификация, в процессе которой оценивается его соответствие требованиям норм летной годности (НЛГ). Для Европы - это Certification Specifications for Engines (CS-E), для США - Federal Aviation Regulations, Part 33 (FAR-33), для России - Авиационные правила, часть 33 (АП-33) [1-3]. Одним из важных требований НЛГ является обеспечение пожарной безопасности двигателя, его систем и компонентов. К одной из таких систем относится трубопроводная обвязка, состоящая из гибких и жестких трубопроводов топливной,

масляной, воздушной и дренажной систем. Особое место в трубопроводной обвязке занимают гибкие трубопроводы. Их характеризуют хорошие эксплуатационные свойства, такие как малый вес, возможность свободного перемещения, отсутствие резонансов, большая долговечность.

В соответствии с требованиями CS-E 130(Ь), FAR-33.17(b), АП-33.17(Ь) любые внешние магистрали, соединения и другие компоненты, в которых циркулируют или содержатся воспламеняющиеся жидкости при нормальных условиях работы двигателя, должны быть, по крайней мере, огнестойкими.

1Павлова Мария Владимировна, инженер-конструктор 2 категории Службы сертификации и летной годности, e-mail: [email protected]

Pavlova Maria, 2d Category Design Engineer of the Certification and Airworthiness Department, e-mail: [email protected]

2Шепель Вячеслав Тимофеевич, доктор технических наук, профессор, ведущий специалист Службы сертификации и летной годности, тел.: 89605386407, e-mail: [email protected]

Shepel Vyacheslav, Doctor of technical sciences, Professor, Leading Specialist of the Certification and Airworthiness Department, tel.: 89605386407, e-mail: [email protected]

Проблема сертификации гибких трубопроводов заключается в их многочисленности в обвязке двигателя, большом разнообразии конструктивного исполнения и широком спектре рабочих условий. Поэтому в статье ставится задача разработки методики проведения сертификационных огневых испытаний экономически оправданным способом за счет уменьшения числа испытаний, путем выбора представительной группы трубопроводов, успешные испытания которой устанавливают соответствие нормам летной годности для всех гибких трубопроводов.

Объектами сертификационных испытаний, как правило, являются наиболее широко используемые в авиационной технике гибкие трубопроводы типа RM101, RM180, S145. Гибкие трубопроводы RM101, RM180 конструктивно состоят из прессованных тефлоновых труб, оплетки, состоящей из пучков проволоки из нержавеющей стали AISI 304, защищенных противопожарным покрытием Flametite (силиконовый композит, полученный методом экструзии), а S145 - из нержавеющей гофрированной стальной оболочки AISI 321 с толщиной 0,15 мм. Фитинги и муфты изготавливаются из нержавеющей стали, в конструкции которых минимальные толщины превышают 0,38 мм (по определению огненепроницае-мые).

Подтверждение соответствия требованиям CS-E130, АП-33.17, FAR-33.17 демонстрируется испытаниями на огнестойкость (способность выдерживать воздействие стандартного пламени в течение 5 мин) и огненепроницаемость (способность выдерживать воздействие стандартного пламени в течение 15 мин). Стандартное пламя газовой горелки, регламентируемое ISO 2685:1998 [4], должно иметь в сечении площадь нормируемого температурного поля (1100±80)°С не менее 25% от общей площади горелки, а нормируемое значение средней плотности теплового потока - 116±10 кВт/м2. Необходимо отметить, что в связи с все более широким внедрением в авиации композиционных материалов огневые испытания целесооб-

разно проводить на керосиновой горелке, требования к которой также изложены в стандарте ISO 2685:1998.

Первым этапом методики сертификации гибких трубопроводов является выбор режимов их испытаний на основе консервативного подхода. Он основывается на том, что при испытаниях высокую степень уверенности в безопасности и надежности конструкции можно обеспечить за счет приложения заведомо больших нагрузок, чем те, которые могут возникнуть в эксплуатации. В соответствии с данным подходом выбор режимных параметров испытаний должен проводиться по огибающей к самым жестким условиям. Консервативными режимами испытаний для гибких трубопроводов в составе обвязки авиационного двигателя при воздействии огня являются режим полетного малого газа и режим авторотации, поскольку на этих режимах реализуется минимальный расход рабочей жидкости (топлива, масла). В зависимости от конструкции двигателя это может быть и режим максимальной взлетной тяги, поскольку разрушающим фактором является уровень напряжений гибких трубопроводов, зависящий от теплового состояния и рабочего давления. В этой связи анализ уязвимости гибких трубопроводов является важным этапом подготовки к сертификационным огневым испытаниям.

В соответствии с анализом уязвимости к пожару и требованиями ISO 2685:1998:

- гибкие трубопроводы топливной системы необходимо испытать на требования огнестойкости на режиме полетного малого газа или взлетного режима в течение 5 мин;

- гибкие трубопроводы масляной системы необходимо испытать на требования огненепроницаемости в течение 15 мин (первые 5 мин параметры рабочей жидкости должны соответствовать режиму полетного малого газа или взлетного режима, а следующие 10 мин - режиму авторотации).

Время переключения с режима на режим в процессе испытаний должно быть

равно реальному времени перемещения рычага управления двигателем. В соответствии с консервативным подходом назначения режимов, режимные параметры понижаются или повышаются на заявленную погрешность измерительных средств.

Вторым этапом методики проведения сертификационных испытаний является выбор представительной группы трубопроводов. Гибкие трубопроводы, расположенные в установленной пожароопасной зоне, разделяются на группы по функциональному назначению: трубопроводы масляной, топливной, воздушной и дренажной систем. Трубопроводы дренажной системы исключаются из анализа в соответствии с АМС к CS-E130 (5)(b) [5], поскольку они не содержат и не переносят воспламеняющие жидкости. Внутри этих трех групп выделяются группы трубопроводов по конструктивному исполнению (RM101, RM180, S145). Далее в каждой группе гибких трубопроводов одного и того же конструктивного исполнения, отобранных по функциональному назначению, проводится отбор по наиболее жестким эксплуатационным условиям - минимальный расход, максимальная температура и максимальное давление рабочей жидкости.

При совпадении эксплуатационных условий (расход, давление и температура одновременно) для нескольких трубопроводов одной группы выбирается трубопровод по наиболее сложному конструктивному исполнению фитинга. Наиболее уязвимые места фитингов - это соединения металлических и фторопластовых элементов (RM101, RM180), наличие сварных швов (S145). Если трубопроводы одной группы имеют муфты и фитинги различной длины, то для испытания выбирается трубопровод с большей длиной фитинга, поскольку он обеспечивает максимальную область, охваченную пламенем.

В частности, если длина патрубка фитинга (без гайки на свободном конце фитинга) на всех трубопроводах в группе превышает 32,4 мм, то предыдущее правило позволяет выбрать любой фитинг из группы, так как все фитинги обеспечивают оди-

наковую область, подверженную воздействию пламени.

Поскольку все гибкие трубопроводы двигателя имеют различную длину, то для огневых сертификационных испытаний должны быть изготовлены по исходной технологии гибкие трубопроводы длиной 600 мм [4].

Каждый испытываемый гибкий трубопровод должен быть помещен в зону пламени стандартной горелки, ограниченную диметром 152,4 мм на расстоянии 75±10 мм от ее плоскости при условии вертикального направления пламени.

При установке на стенд гибкий трубопровод должен быть изогнут на 90° и расположен горизонтально относительно плоскости горелки. Как минимум 120 мм гибкого трубопровода с фитингом должны быть охвачены пламенем (рис. 1). В соответствии с ISO 2685:1998 огневые испытания гибких трубопроводов должны сопровождаться вибрацией вдоль или поперек с частотой 33 Гц с и минимальной амплитудой равной ± 1,6 мм.

Последовательность проведения огневых сертификационных испытаний следующая:

- внешний осмотр и фотографирование образца;

- монтаж испытываемого трубопровода на испытательном стенде;

- калибровка горелки по температуре и тепловому потоку;

- подача рабочей жидкости с параметрами, указанными в программе испытаний;

- установка горелки в требуемое положение относительно испытываемого гибкого трубопровода;

- проведение испытания с параметрами, указанными в программе испытаний;

- отвод горелки;

- прекращение подачи рабочей жидкости через 5 мин после отвода горелки;

- калибровка горелки по температуре и тепловому потоку;

- демонтаж испытываемых элементов;

- внешний осмотр и фотографиро-

вание образца;

- проверка герметичности трубопроводов в воде с подачей азота с давлением, прописанным в программе.

Критерием зачетности огневых сертификационных испытаний является отсутствие при визуальном контроле и видеозаписи утечек и прогаров у всех испытываемых гибких трубопроводов как в процессе

огневых испытаний, так и при выдерживании их под испытательным давлением в течение 5 мин после окончания испытаний. Дополнительным контролем является проверка герметичности в воде под давлением газообразного азота равного максимальному давлению каждого из гибких трубопроводов в процессе огневых испытаний.

Рис. 1. Установка трубопровода относительно горелки при проведении сертификационных огневых испытаний

я

/

У.

U

Рис. 2. Испытания гибкого трубопровода RM101

На рис. 2 показано испытание гибкого трубопровода RM101. Использование предлагаемой методики отбора представительной группы гибких трубопроводов позволило в три раза сократить объем дорогостоящих огневых испытаний при сертификации двигателя SaM 146.

Таким образом, предложенная методика проведения огневых испытаний с данной схемой отбора представительных образцов позволяет наиболее экономично и в кратчайшие сроки сертифицировать гибкие трубопроводы объектов авиационной техники.

Статья поступила 09.04.2015 г.

Библиографический список

1. Авиационные правила. Часть 33. Нормы летной годности двигателей воздушных судов / Межгосударственный авиационный комитет (МАК). М.: ОАО «Авиаиздат», 2012. 52 с.

2. Certification Specifications for Engines (CS-E). European Aviation Safety Agency (EASA), 2007. 193 p.

3. Federal Aviation Regulations, part 33. Airworthiness

standards: Aircraft engines. Federal Aviation Agency, 2007. 48 p.

4. ISO 2685:1998. Aircraft - Environmental test procedure for airborne equipment - Resistance to fire in designated fire zones, 1998. 28 p.

5. Certification Specifications for Engines (CS-E). CS-E Book 2. Acceptable Means of Compliance, 2009. 200 p.