Диски осевых компрессоров

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“МАТИ” - Российский Государственный Технологический Университет им. К. Э. Циолковского

Кафедра "Технология производства двигателей летательных аппаратов"

У т в е р ж д е н о Редакционно ‑ издательским
Советом университета

В.И. Добровольский

ДЛА

ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ДЛА

Учебное пособие

Москва 2012

УДК 621.4

ББК 39.15

Н73

ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ДЛА

Рассмотрены основные причины и механизмы повреждаемости элементов конструкции ГТД процессе эксплуатации, сформулированы задачи и принципы построения системы технической диагностики авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок, а также взаимосвязь развития этой системы с совершенствованием процессов проектирования, изготовления и эксплуатации двигателей.

ISBN

1 ЗАДАЧИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ И МЕТОДЫ ИХ РЕШЕНИЯ

1.1.Цели и задачи технической диагностики

Техническая диагностика – это направление в науке и технике, представляющее собой процесс определения технического состояния объекта диагностирования с определенной степенью точности.

Под техническим состоянием понимается совокупность подверженных изменению в процессе производства или эксплуатации, свойств объекта характеризуемых признаками, которые устанавливаются технической документацией на этот объект. Быстрое определение неисправности в авиационных ГТД необходимо для обеспечения безопасности полетов и для сокращения времени простоя самолета, что повышает экономичность эксплуатации.

Основной целью технического диагностирования авиационного ГТД является эффективная организация процессов оценки его технического состояния. В основе этой организации лежат базовые положения общей теории технической диагностики, методы построения и анализа математической модели объекта диагностирования.

Специфика решений задач диагностирования авиационных ГТД состоит в следующем:

1.Сложность объектов диагностирования делает невозможным получение универсальных решений, вызывает трудности при составлении алгоритма диагностирования и требует различных подходов к решению задач

2.Многообразие режимов работы ГТД при эксплуатации на земле и в полете.

3.Неодинаковый уровень надежности систем, узлов и агрегатов двигателя.

4.Ограничения по габаритно-весовым параметрам средств диагностирования.

5.Недостаточно высокая контролепригодность ГТД, т.е. невозможность измерения параметров, необходимых для поиска дефектов.

6.Необходимость своевременного выявления неисправностей на ранней стадии их развития и предотвращения отказов в полете.

7.Сложность природы и многопричинность отказов, возникающих в ГТД.

8.Сжатые сроки определения технического состояния, выявления неисправности в ГТД.

В связи с вышеизложенным разработка и внедрение методов диагностирования идет по направлениям, которые приспособлены к особенностям ГТД и условиям его эксплуатации. Такими методами являются:

1.Диагностика по изменению параметров динамических процессов (виброакустическая диагностика, диагностика по параметрам систем двигателя).

2.Диагностика по изменению физико-механических параметров объекта диагностирования (спектральный анализ масла, визуальнооптическая диагностика, радиография, термометрирование, металлографический анализ деталей и д.р.).

Диагностика как научное направление, формулирует идеологию, принципы, способы диагностирования и прогнозирования технического состояния изделий в процессе их испытаний и эксплуатации. Техническая диагностика решает следующие задачи:

- создание контролепригодного изделия;

- разработки систем и средств для получения необходимой информации;

- разработка методов обработки и анализа получаемой информации;

- разработка рекомендаций по использованию результатов контроля и диагностики.

Уровень диагностирования технического состояния изделия оценивается рядом количественных показателей в число которых входят:

1. Точность - соответствие величины параметра, полученной при диагностировании, действительному его значению.

2. Достоверность - минимальная вероятность ошибок диагностирования.

3. Быстродействие - оперативность при минимальных временных затратах.

4. Стоимость - величина материальных затрат.

Под диагностированием технического состояния понимают решение следующих задач:

- диагностирование - определение состояния, в котором находится изделие в настоящий момент времени;

- прогнозирование - предсказание состояния, в котором окажется изделие в некоторый последующий момент времени;

- генезирование (генетика) - определение состояния, в котором находилось изделие в некоторый предыдущий момент времени (при расследовании причин аварий).

Диагностирование состояния может быть трех видов:

- функциональное (надеждностное) диагностирование, опирающееся на информацию средств контроля и анализ надежности;

- прочностное (ресурсное), использующее результаты оценки долговечности и фактических нагрузок изделий;

- эксплуатационное, определяющее и анализирующее отклонения фактических условий работы от расчетных по вибрации, перегреву, коррозии материалов и т.д.

Качество диагностирования в значительной степени зависит от правильности выбора диагностических признаков. Решение этой задачи во многом определяется возможностями инструментального подтверждения наличия этих признаков.

На правильность формирования диагностических признаков большое влияние оказывают следующие факторы:

- уровень контролепригодности, обеспечивающий оценку отклонений параметров в допустимом диапазоне;

- эталонные характеристики контролируемых входных параметров при безотказной работе изделия и его систем, необходимые для сравнения с текущими характеристиками и выявлений изменений первоначального уровня;

- характерные органолептические признаки: задымленность выходного газового потока, посторонние шумы, изменение цвета внешних поверхностей нагруженных элементов и т.д.

Для авиационных силовых установок в числе диагностических признаков используются изменения темпа возрастания или убывания частоты вращения ротора, резкое возрастание температуры газа за турбиной, возрастание уровня вибрации корпусов деталей и подшипников и так далее.

По каждому диагностическому признаку определяются контролируемые параметры и (или) зрительно фиксируемые изменения состояния элемента. Должны быть основаны допусковые отклонения параметров изделия.

1.2.Общая характеристика развития средств диагностирования

На первом этапе внедрения в эксплуатацию средств диагностирования ГТД произошло резкое увеличение числа единиц проверочного оборудования, в котором преобладали визуальные средства (манометры, вольтметры, световая сигнализация). Однако, способ повышения эффективности диагностирования путем увеличения числа элементов визуального контроля и управления неприемлем для условий эксплуатации. Оператор в этом случае не в состоянии оценить и проанализировать получаемую информацию. Поэтому в настоящее время широко внедряются специализированные наземные комплексы систем диагностирования, а также бортовые средства контроля и регистрации полетных данных.

Наземные средства диагностирования разбиваются по пути создания комплексных полуавтоматических и автоматических средств.

Классификацию таких средств целесообразно проводить по степени автоматизации:

, (2.1)

где – суммарное время, затрачиваемое на неавтоматическое выполнение автоматизированных операций, i ;

– суммарное время выполнения неавтоматизированных операций, j.

При Ка 0.5 – система не автоматизирована, при 0.5<Ка<0.98 - система полуавтоматизирована, при Ка>0.98 – система автоматизирована. Для случая Ка<0.5, оператор самостоятельно проводит операции измерения и анализа получаемой информации. Средства диагностирования в этом случае создаются на базе контрольно-измерительной аппаратуры общего и специального назначения. Для двух других случаев регистрация контролируемых параметров осуществляется на носителях информации с последующим анализом на ЭВМ.

К ним относятся: НАС – наземная автоматизированная система; БС – бортовая система; НБС – наземно-бортовая система.

1.3.Особенности ГТД, как объекта диагностирования

Авиационные ГТД характеризуются множеством состояний, каждое из которых определяется конкретным набором входных и выходных параметров. На практике редко удается получить полное математическое описание поведения двигателя в общем виде, поэтому чаще стараются использовать методы имитации изучаемого объекта. Двигатель можно разбить на подсистемы и элементы с иерархической структурой связи. Каждая подсистема, решая конкретную задачу, обеспечивает достижение общей цели.

Двигатель в целом, как объект диагностирования обладает следующими свойствами:

1) двигатель можно расчленить на конечное число подсистем, которые в условиях данной задачи не подлежат дальнейшему расчленению. Диагностирование таких подсистем возможно независимо друг от друга;

2) подсистемы функционируют во взаимодействии друг с другом и выполняют разнообразные функции;

3) параметры двигателя определяются не только свойствами подсистем, но и характером их взаимодействия;

4) оценка состояния двигателя требует одновременной регистрации большого числа функционально и случайно взаимосвязанных параметров;

5) целостность системы, означающей, что все ее подсистемы служат достижению общей цели;

6) наличие регулируемых и нерегулируемых управляющих воздействий и неопределенностью внешних возмущений стохастического типа;

7) появление неисправности или отказа любого элемента подсистемы приводит к снижению эффективности ее функционирования или отказу всей подсистемы в целом.

Известно, что объективно оценить техническое состояние хорошо освоенного двигателя в зависимости от сложности его конструкции можно путем измерения и анализа 20–100 параметров, что позволяет обеспечить контроль работоспособности с глубиной до узла.

В условиях доводки двигателя, а также при анализе технического состояния с глубиной до отдельного элемента, требуется измерить и проанализировать 200–1000 параметров.

К основным параметрам двигателя относятся: тяга, часовой расход топлива, частота вращения роторов, температура газа перед турбиной, положение рычага управления подачей топлива в двигатель и другие. К основной группе также надо отнести параметры окружающего воздуха.

К различным группам параметров предъявляют различные требования по точности измерения. Основные параметры измеряются с высокой степенью точности. Вспомогательные параметры, определяющие выполнение отдельными узлами и агрегатами функциональных задач, могут измеряться с меньшей точностью.

Особо важное значение имеет точность измерения аварийных параметров, выход которых за пределы допуска может привести к отказу двигателя, поэтому их контроль должен осуществляться непрерывно.

1.4. Диагностические признаки

Для каждого изделия имеется большое число признаков (параметров), по которым можно судить о его техническом состоянии. Эти параметры и признаки можно разделить на три основные группы.

1. Контролируются выходные параметры изделия или его узлов, которые определяют его работоспособность согласно установленным ТУ. Контроль выходных параметров дает ответ на вопрос о работоспособности изделия, но не определяет места и вида повреждения, приводящего к отказу.

2.Контролируются повреждения, которые приводят или могут привести к отказу изделия. Величины износа, деформации, степень коррозии и т.п. также являются теми диагностическими признаками, по которым можно сделать вывод о техническом состоянии изделия. Они являются первопричиной отказа и связаны с выходными параметрами функциональной зависимостью. Число этих признаков в сложной машине весьма велико и их одновременное диагностирование не представляется возможным. Поэтому контроль повреждений является обычно вторым этапом диагностирования изделия, после контроля ее выходных параметров, когда необходимо установить причины потери изделием работоспособности. Исключение могут составлять лишь те элементы, о которых заранее известно, что их повреждение является основной причиной изменения выходных параметров машины, например, износ цилиндропоршневой группы, коррозию резервуаров и т.д. следует контролировать непосредственно по степени повреждения, поскольку именно они определяют работоспособность машины.

В общем случае должен быть осуществлен поиск неисправностей. Например, методом последовательной проверки элементов или методом последовательных разбиений всего множества элементов на две части. В последнем случае процедура обнаружения места повреждения при сигнале о недопустимом изменении выходного параметра или отказе функционирования изделия заключается в разделении всех возможных мест повреждений на две части и контроле (в совокупности) работоспособности одной из них, Неисправную часть снова разбивают на две и продолжают анализ до тех пор, пока не будет обнаружено место повреждения. Оптимальная стратегия поиска может быть построена если известны вероятности безотказной работы каждого элемента.

3.Контроль работоспособности изделия по косвенным признакам производится в случае, когда непосредственное измерение выходных параметров затруднено или когда требуется интегральная характеристика состояния изделия. Эти признаки должны быть функционально связаны с работоспособностью изделия и отражать изменения, происходящие в машине.

Косвенными диагностическими признаками могут служить акустические сигналы, изменение температуры изделия, давления в системе, наличие в смазке продуктов износа, параметры характеризующие динамическое состояние системы (амплитудно-фазовые и частотные характеристики) и т.п.

Существенным преимуществом использования косвенных признаков является возможность оценки изделия в процессе его работы, или во всяком случае без разборки (при диагностировании в специальных условиях).

Недостаток этих методов заключается в наличии, как правило, стохастической связи между косвенными признаками и выходными параметрами и влиянии на диагностический сигнал посторонних факторов (шумов) не связанных с работоспособностью изделия. Тем не менее косвенные признаки работоспособности изделия широко применяются для нужд диагностики.

1.5.Анализ диагностического сигнала

При осуществлении процесса диагностирования изделия выбираются те признаки и параметры, контроль которых дает наиболее объективные сведения о состоянии изделия, а затраты на создание данной системы технического диагностирования экономически целесообразны.

Датчики, измеряющие отдельные параметры изделия дают сигналы, на основе анализа которых необходимо сделать заключение о техническом состоянии объекта с указанием, при необходимости, места, вида и причин дефектов. Различные диагностические сигналы несут неодинаковую по объему информацию и поэтому требуется оценить возможности сигнала и выбрать наиболее целесообразную его форму.

Сигнал, по которому надо судить о значении признака (выходной параметр, степень повреждения или косвенный признак), может иметь различный характер. Наиболее простым является случай, когда показание датчика непосредственно характеризует состояние объекта, точность измерения достаточно велика и можно не учитывать влияние посторонних факторов. Здесь нахождение показаний прибора в допустимых пределах свидетельствует о работоспособности изделия, а по величине сигнала можно судить о близости к предельному состоянию.

Например, измерение давления в гидросистеме позволяет судить о ее правильном функционировании, так как падение давления ниже нормы свидетельствует о возрастании утечек (или о разрушении элементов при падении давления до нуля), а возрастание давления говорит о засорении или облитерации каналов, заклинивании плунжеров или других недопустимых явлениях.

Однако в ряде случаев, особенно при суждении об отказе по косвенным признакам, на сигнал может оказывать влияние не только степень повреждения элемента или узла, но и посторонние факторы (помехи), искажающие полученную информацию.

Например, при оценке работоспособности подшипника качения по температуре масла следует иметь в виду, что она может быть связана не только с износом подшипника, но и с повышенными нагрузками, влиянием внешних источников тепла, засорением гидросистемы подачи смазки и другими явлениями.

В этом случае для повышения достоверности показаний необходимо иметь группу признаков, характеризующих степень приближения к отказу - «синдром отказа», с тем, чтобы по их состоянию судить о действительном состоянии объекта. Так, если при диагностике подшипника одновременно с измерением температуры контролировать и точность его вращения или уровень вибраций, то вероятность правильного диагноза значительно повысится.

Значительно большую информацию, чем показания датчика, дающего численное значение параметра, несет сигнал в виде функциональной зависимости. Такими сигналами будут, например, законы изменения усилий или крутящих моментов за цикл работы механизма или законы перемещения отдельных звеньев, вибрации, возникающие в системе, акустические характеристики и т.п. Анализ изменений, происходящих в законах движения, спектральный анализ процессов вибраций или акустических сигналов и другие методы оценки функций позволяют из одного сигнала выделить ряд составляющих, характеризующих состояние различных элементов или узлов изделия.

Таким образом, сигнал, выдаваемый в виде реализации некоторой закономерности, заменяет показания целого ряда приборов, определяющих дискретные значения отдельных параметров.

Приведем пример анализа диагностических сигналов в виде функциональных зависимостей. Применяется система диагностирования механизмов технологического оборудования (гидро- и пневмоприводов), основанная на анализе закона их движения. Работа силовых механизмов оценивается по характеру временной зависимости для скорости ведомого звена V=f(t), которая сравнивается с эталонной характеристикой, полученной для работоспособного механизма. Характер отклонения данной реализации от эталонной кривой позволяет не только определить состояние механизма, но и указать основные причины потери работоспособности.

В качестве примера на рис. 1.1 приведены результаты диагностирования пневмоцилиндров.

Для пневмоцилиндров отклонение от эталонной кривой 1 может быть связано с разрегулировкой дросселей и коммутационной аппаратуры (кривая 2), когда возникают наибольшие динамические нагрузки; с износом зеркала цилиндра (кривая 3) или с износом манжет (кривая 4), когда длительность цикла возрастает за счет утечек и падения скорости.

Анализ и расшифровка диагностического сигнала могут дать достоверную информацию о близости измеряемого параметра к предельному состоянию и о причинах изменения начальных показателей качества.

Рис. 1.1. Результаты диагностирования сложных объектов

1.6. Диагностирование сложных объектов

При диагностировании сложных объектов, работоспособность которых характеризуется большим числом выходных параметров, возникает ряд дополнительных проблем:

- необходимо установить номенклатуру основных диагностических сигналов с тем, чтобы они характеризовали работоспособность исследуемой исследуемого изделия;

- по набору этих данных необходимо сделать суждение о техническом состоянии всего изделия и о необходимости ее ремонта или о времени, в течении которого оно сможет сохранить свою работоспособность;

- необходимо разработать систему технического диагностирования, которая включает технические средства, а также алгоритм диагностирования, т.е. совокупность предписаний о проведении диагностирования, выбор метода диагностирования - функциональное или тестовое (ГОСТ 20911-75).

Эти вопросы решаются обычно на основе общих положений теории надежности с использованием моделей отказов, оценки предельного состояния изделия, методов прогнозирования изменений состояния объекта, изучения физики отказов и других данных.

Разработке систем технического диагностирования предшествуют, как правило, исследования, устанавливающие связи между характеристиками диагностических сигналов и состоянием изделия. При этом учитывается, что диагностирование может быть функциональным, осуществляемым во время работы изделия, когда действуют только рабочие нагрузки, и тестовым, при котором на объект подаются специальные воздействия и по реакции изделия судят о его техническом состоянии. Тестовые воздействия не должны влиять на правильность функционирования и работоспособность изделия.

При разработке систем и методов диагностирования сложного объекта основываются на аналитических или графоаналитических представлениях основных свойств изделия в виде так называемых диагностических моделей. Они могут быть представлены в векторной форме, в виде системы дифференциальных уравнений или передаточных функций, связывающих входные и выходные параметры. Для диагностической модели входным параметром Х будет значение показателя качества изделия, а выходным параметром - диагностический сигнал S. В общем случае в векторной форме можно записать

, (1.1)

где А - оператор, характеризующий те преобразования, которые необходимо осуществить с величинами Х, чтобы получить S.

Раскрытие этих связей и разработка системы диагностирования сложного объекта могут осуществляться двумя основными способами или их комбинацией.

Первый путь диагностирования заключается в получении большого числа сигналов, характеризующих работу отдельных узлов и элементов машин, на основании которых делается заключение о состоянии машины. При тестовом методе диагностирования для получения необходимых диагностических сигналов надо выбрать вид и последовательность специальных воздействий на машину. Полученное от датчиков большое число разнообразных данных должно быть обработано по специальной программе с тем, чтобы определить ту категорию состояния, в которой находится машина, и те действия, которые необходимо предпринять, чтобы восстановить ее работоспособность.

Для этой цели с успехом применяется вычислительная техника, когда на вход ЭВМ подаются сигналы датчиков, которые преобразуются в цифровой код.

Вычислительная машина может по специальной программе задать испытываемому изделию определенный режим работы (при тестовых испытаниях), сравнить показания датчиков с эталонными значениями, хранящимися в ее памяти, выбрать результат диагноза в виде специальных карт, в которых, кроме указания поврежденных деталей содержатся инструкции по их ремонту.

Для оценки состояния изделия по многим показателям может быть использована теория распознавания незримых образов, когда по совокупности значений множества параметров судят о принадлежности объекта к тому или иному классу, например, 1-й класс - объект работоспособен, 2-й класс - объект работоспособен, но требует подналадки, 3-й класс - объект не работоспособен и требует ремонта.

В «образ» объекта могут быть включены параметры, характеризующие его качество, спектры эксплуатационных нагрузок, характеристики окружающей среды, показатели оператора и другие компоненты, определяющие работоспособность изделия.

Второй путь диагностирования заключается в применении методов, которые позволяют судить о состоянии машины по параметрам какого-либо динамического процесса, связанного с функционированием механизмов и отражающим состояние машины. Такой процесс можно разложить на составляющие и получить необходимую информацию о работоспособности отдельных механизмов. При этом в принципе возможно использовать всего один преобразователь или, во всяком случае, ограниченное число диагностических сигналов. Примером такого подхода могут служить рассмотренные выше методы, а также методы акустической диагностики механических систем.

При работе механизмов происходят удары, возбуждающие упругие колебания, которые регистрируются соответствующими датчиками. Поскольку при возбуждении колебаний одновременно всеми кинематическими парами машины образуется единое волновое поле, основная задача при диагностировании этим методом заключается в разделении суммарного сигнала на составляющие так, чтобы можно было оценить вклад каждой кинематической пары.

1.7. Структура системы диагностирования

Системы, предназначенные для диагностирования, не смотря на свое разнообразие и уровень развития, имеют общие черты и одинаковый характер решаемых задач. Особенно высокого совершенства достигли автоматизированные системы с использованием ЭВМ и с решением в процессе диагностирования логических задач с учетом вероятностных характеристик диагностических сигналов.

В общем виде можно представить следующую структурную схему диагностики технических объектов (рис. 1.2).

Формирование Регистрация

эталонных и

значений индикация

Объект Первичные Обработка Принятие

диагно- преобразо- для оценки решений

стики ватели состояния по управлению

и характера процессом

его изменения диагностики

Формирование Самоконтроль

стимулирующего

воздействия

Рис. 1.2. Структурная схема диагностики технических объектов

Датчики (преобразователи), установленные на объекте диагностирования, передают разнообразные сигналы, которые преобразуются в электрические величины и поступают в блок для обработки этой информации и оценки состояния изделия или характера изменения его параметров. Для всех сигналов, с которыми необходимо сравнивать поступающие диагностические сигналы, предусматривается массив допустимых (эталонных) значений.

Процесс сравнения может быть простым, когда устанавливаются допустимые границы для изменения параметров и фиксируется его нахождение в пределах допуска, и более сложным, когда применяются операции, оценивающие степень отклонения измеряемого параметра от номинала, скорость и характер процесса изменения параметра с течением времени и другие его характеристики.

В некоторых случаях, чтобы оценить техническое состояние объекта, на него подаются специальные тестовые воздействия, т.е. формируются стимулирующие сигналы и направляются в объект диагностирования для оценки его реакции. Результаты этого анализа могут быть использованы для дальнейшего управления процессом диагностирования. Для этого в системе автоматического диагностирования предусматривается блок регистрации получаемых данных и логическое устройство для принятия решений по управлению процессом диагностирования.

Для повышения достоверности получаемых данных осуществляется самоконтроль путем повторного выполнения отдельных операций и сравнения полученных данных. Этот же блок может выполнять функции статистической обработки этих данных и получения средних значений, дисперсии и других характеристик измеряемых величин.

Данная схема может быть реализована с различной степенью автоматизации с концентрацией всех операций в одной системе или разбивкой ее на отдельные блоки и установки. Последнее связано с характером объекта, его размерами, возможностями получения данных во время работы, требуемой частотой проверки и другими факторами.

Применение средств технической диагностики способствует повышению безотказности работы машин, так как контролируется их фактическое состояние, и сокращению затрат на ремонт за счет более точного использования долговечности изделия и осуществления ремонта по потребности.

Диагностика является важным элементом системы эксплуатации машин и управления их качеством и надежностью.

1.8. Способы и средства инструментального контроля

технического состояния ГТД

Существуют два метода инструментального контроля (ИК) ГТД. Первый заключается в выявлении отличия «образа» (комплекса основных и вспомогательных параметров) проверяемого двигателя от среднестатистического семейства исправных двигателей данного типа.

Эти отличия сопоставляются с вероятными возможными изменениями технического состояния двигателя, т.е. с учетом условий эксплуатации, времени наработки и т.д.

«Образ» семейства исправных двигателей формируется на основе статистической обработки значений параметров в ходе эксплуатации двигателей данного типа.

Указанный метод ИК определяет необходимость наличия значительного банка данных по параметрам двигателя рассматриваемого типа и сопряжен с проведением большого числа измерений и сложной статистической обработки экспериментальных данных. Применение его целесообразно для серийных двигателей, имеющих значительный срок эксплуатации, т.е. при наличии банка данных по неисправностям.

Второй метод ИК ГТД называется «детерминированным» и заключается в обнаружении определенных физических явлений, которые служат объективными признаками возникновения в двигателе конкретных неисправностей.

К числу диагностических средств, используемых для обнаружения в двигателе таких физических явлений относятся: устройства для виброакустической диагностики, ультразвуковые и токовихревые приборы, оптические системы, устройства для контроля маслоомываемых деталей и др.

Второй метод является более универсальным и информативным, отличается меньшей трудоемкостью, по сравнению с первым.

Перечень аварийных сигналов, выводимых на приборную доску зависит от конкретной силовой установки, особенностей назначения и эксплуатации самолета. Наиболее часто в этот список входят:

1) помпаж двигателя;

2) пожар в двигателе;

3) пониженное давление топлива перед насосом;

4) отключение генераторов;

5) отказ автоматики управления механизацией компрессора;

6) малый остаток топлива в баках;

7) падение давления масла в системе.

Система аварийной сигнализации перед установкой на самолет подвергается значительным лабораторным и стендовым испытаниям с целью отработки ее высокой надежности и исключения ложного срабатывания в условиях эксплуатации.

1.9. Контролепригодность ГТД

Возможность выявления неисправностей систем двигателя с помощью методов и средств диагностирования, называется контролепригодностью двигателя.

Под контролепригодностью ГТД обычно принимают обеспечение его конструкцией и оборудованием, возможность получения информации, необходимой для достоверной оценки состояния двигателя в условиях эксплуатации без его разборки и снятия со стенда или самолета.

Контролепригодность двигателя зависит от его конструкции, которая должна обеспечивать возможность выявления следующих неисправностей на ранней стадии их возникновения и развития:

1) разрушение лопаток компрессора и турбины по перу и замку;

2) разрушение дисков ротора;

3) разрушение подшипников опор ротора;

4) помпаж компрессора;

5) повышенный уровень вибрации;

6) прогар лопаток соплового аппарата;

7) неравномерность температурного поля;

8) разрушение деталей основной и форсажной камеры сгорания;

9) отказы топливной системы, систем регулирования и управления;

10) ухудшение характеристик ГТД.

По нормам безопасности полета западных стран двигатель должен обеспечивать инструментальный контроль не менее 15 параметров (современные отечественные ГТД обеспечивают контроль порядка 30–40 параметров).

Характеристики контролепригодности, являющиеся функцией конструктивных и эксплуатационных факторов, представляют собой переменные величины, которые могут изменяться в определенных диапазонах, следовательно, свойством контролепригодности можно управлять.

Для эффективного управления контролепригодностью двигателя необходимо знать факторы, влияющие на это свойство и оценивать их количественно с помощью критериев, удовлетворяющих следующим требованиям:

1) учет технических показателей, как объекта, так и средств диагностирования;

2) возможность сравнения различных диагностических средств и определения способа замера регистрируемых показателей;

3) простота вычислений при выполнении инженерных расчетов.

2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО

СОСТОЯНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

2 1. Общий анализ дефектов и неисправностей авиационного ГТД

В настоящее время разработку, изготовление и эксплуатацию ГТД осуществляют по следующему пути: эскизная разработка, проектирование, изготовление, испытания, анализ неисправностей, доработка. Это вызвано тем, что современный уровень науки и техники, организации производства и эксплуатации не обеспечивает бездефектность разработки, изготовления и эксплуатации двигателя.

В общем случае все дефекты ГТД можно классифицировать следующим образом:

1) дефекты, возникающие по причине ошибок испытателя;

2) дефекты, возникающие в результате нарушения функционирования систем, обеспечивающих работоспособность двигателя;

3) дефекты, возникающие в связи с усталостной прочностью материалов, износом деталей, попадающими в двигатель посторонними предметами;

4) дефекты, связанные с выполнением регламентных работ:

а) посторонние предметы, оставленные в проточной части двигателя;

б) неточное установление деталей и агрегатов после замены;

в) разрегулирование и дефекты устанавливаемого оборудования.

5) дефекты, связанные с эксплуатацией двигателя:

а) небрежный предполетный осмотр силовой установки;

б) несоответствие выбранных режимов работы СУ и внешних условий;

в) превышение допустимого времени работы на максимальных режимах.

6) дефекты, связанные с нарушением функционирования систем:

а) неправильное ТО агрегатов, загрязнение топливо-гидравлической системы;

б) некондиционность рабочих жидкостей и газов;

в) дефекты, связанные с окислением штепсельных разъемов;

г) конструктивные недоработки.

7) дефекты, возникающие в результате изнашивания деталей:

а) несовершенство технологии получения материалов;

б) образование нагара на поверхностях трения;

в) несоответствие нормам зазоров сопрягаемых деталей и перепадов температуры и давления;

г) ухудшение процесса смазки деталей.

Вышеперечисленные дефекты ГТД могут привести к внезапным и постепенным отказам. Внезапные отказы сопровождаются аварийным изменением значений функциональных параметров, а также технического состояния узлов и агрегатов систем двигателя. Им сопутствуют ярко выраженные признаки нарушения нормальной работы двигателя:

- резкое изменение показаний контрольных приборов;

- посторонние шумы и вибрация;

- появление дыма и т.д.

На долю таких дефектов приходится в среднем до 30% от всех дефектов, приводящих к летному происшествию и до 14%-16% от всех дефектов, вызывающих досрочное снятие двигателя с эксплуатации. Постепенные отказы можно контролировать и, зная интенсивность их развития, предупредить момент наступления критического состояния.

2.2. Компрессор

При работе двигателя, на отдельные узлы и детали компрессора действуют различные по величине и направлению силы и моменты от них. Наибольшую нагрузку (растяжение рабочей лопатки вызывает центробежная сила, зависящая от массы лопатки, радиуса на котором расположен центр ее тяжести и частоты вращения ротора). Эти усилия достигают максимального значения в замковой части лопатки. На лопатки компрессора также действуют периодически изменяющиеся силы, вызывающие вынужденные колебания лопатки. Основными причинами периодичности действия сил является: парциальный подвод воздуха к рабочей лопатке из-за наличия спрямляющего аппарата, различный расход воздуха через отдельные каналы (неточное изготовление деталей и наличие стоек ротора). Наибольшая интенсивность колебаний лопатки наблюдается на нерасчетных режимах. Колебания (вибрация) лопатки вызывают значительные усталостные напряжения в них. Появление резонансных колебаний резко увеличивает напряжения в лопатках, что может привести к их разрушению.

В процессе эксплуатации ГТД отмечается возможность появления следующих характерных неисправностей:

- повреждение лопаток посторонними предметами (обрыв лопатки);

- разрушение опор подшипников (заклинивание ротора);

- механический износ деталей проточной части компрессора;

- обледенение входной части двигателя и лопаток ВНА, что обуславливает уменьшение секундного расхода воздуха и вероятность механического повреждения рабочей лопатки кусочками льда;

- эрозионный износ лопатки, вызванный наличием пыли (морской соли) в воздушном тракте, приводит к уменьшению запаса прочности.

Значительный процент отказов двигателей связан с разрушением лопаток компрессора. Основными причинами разрушения лопаток у компрессора являются:

- высокий уровень динамического напряжения;

- недостаточная конструктивная прочность лопатки;

- эрозионный износ лопаток;

- повреждение лопаток посторонними предметами, попадающими в воздушный тракт;

- коррозионное повреждение поверхности лопатки;

- производственные дефекты.

Разрушение лопатки компрессора приводит к помпажу, повышению уровня вибраций и ухудшению характеристик двигателя. Высокие переменные напряжения, возникающие при резонансном колебании лопатки по основному тону (иногда по более высоким тонам), вызывает образование усталостных трещин. Усталостные разрушения происходят не мгновенно, что обуславливает постепенное накопление дефектов в кристаллической решетке и ограничивает скорость распространения трещин. При достаточной величине усталостных трещин происходит хрупкое мгновенное разрушение лопатки («долом»). В настоящее время инструментально определить уровень усталостного напряжения невозможно, поэтому лопатки заменяются, как только обнаруживается усталостная трещина. Развитие трещин начинаются, чаще всего, с выходных кромок, реже - с входных. Иногда они возникают на спинке и корыте лопатки у комлевой части, ближе к замку. При разрушении алюминиевых лопаток компрессора на лопатках турбины образуется налет расплавленного металла в виде светлых пятен, что является признаком повреждения при оценке технического состояния. На двигателе, где имеет место усталостное разрушение лопатки, обычно наблюдается существенный разброс напряжений при резонансных колебаниях лопаток:

, (1.1)

на исправных лопатка:

. (1.2)

Поэтому отношение , рассматривается наряду с максимальным напряжением как диагностический параметр. Оценка напряжений производится с помощью тензодатчиков или путем бесконтактных измерений:

- дискретно-фазовый метод;

- голографический метод.

Эрозионный износ лопаток приводит к уменьшению их хорды и толщины, к снижению усталостной прочности, а также к снижению КПД компрессора и ухудшению других основных характеристик двигателя. Повреждение и износ лабиринтных уплотнений увеличивает осевой зазор, что снижает КПД и запас устойчивости компрессора. Наибольшим повреждением при эрозии подвергаются входная и выходная кромки, верхняя часть лопаток ротора и статора. При попадании в воздушный тракт посторонних предметов особенно сильно повреждается передняя кромка. Забоины, образующие при этом, могут служить центром зарождения усталостных трещин. Коррозионному износу подвержены, в основном, стальные и алюминиевые лопатки. Глубина коррозионного поражения достигает 0,2…0,4 мм и носит, чаще всего, межкристаллитный очаговый характер. Развитию повреждений способствуют прижоги и растягивающие напряжения в поверхностных слоях. Коррозионные повреждения уменьшают предел выносливости на 10…30%. Разрушению лопаток компрессора при эксплуатации способствуют производственные дефекты. Наиболее трудно дефектируются прижоги поверхности и поверхностные растягивающие остаточные напряжения, возникающие при механической обработке. Нарушение геометрии профиля около кромок, отсутствие радиусов и галтелей и низкое качество поверхности снижает предел выносливости более, чем на 20%. Разрушение замков лопаток компрессора носит, в основном, усталостный характер. Этому способствует фреттинг-коррозия (коррозия трения), разрушающая поверхностные слои металла в местах контакта.

В процессе эксплуатации двигателя компрессор работает в различных режимах и атмосферных условиях, не соответствующих расчетным. Проходное сечение, подобранное для расчетного режима, в этом случае не соответствует новым значениям параметров воздушного потока, что обуславливает возникновение срывов и завихрений.

Помпажом называется неустойчивая работа компрессора и всего двигателя, возникающая при периодическом срыве воздушного потока с рабочих лопаток и спрямляющего аппарата. Помпаж является одной из наиболее распространенных причин, приводящих к отказу двигателя.

Основными причинами возникновения помпажа являются:

резкое увеличение подачи топлива в камеру сгорания (рост температуры газа перед турбиной , уменьшение абсолютной скорости воздуха по ступеням компрессора и секундного расхода воздуха через него );

2) боковой ветер со скоростью выше допустимой (снижение );

3) неисправности в системе управления перепуском воздуха в компрессоре или поворотом лопаток входного направляющего аппарата (ВНА) и спрямляющего аппарата (СА);

4) попадание в газовоздушный тракт посторонних предметов (облом лопаток, заклинивание ротора, резкое снижение );

5) работа двигателя на нерасчетных режимах;

6) повышенный износ лопаток (нарушение аэродинамики обтекания);

7) повышенный уровень турбулентности потока на входе в двигатель.

При наступлении помпажа происходят следующие явления:

- возникают колебания давления, скорости и расхода воздуха в газовоздушном тракте;

- возникают колебания температуры газа перед турбиной вследствие импульсивного поступления воздуха в КС;

- уменьшается частота вращения ротора, что приводит к уменьшению и степени повышения давления в компрессоре ;

- самовыключение двигателя из-за нарушения устойчивости горения.

Последствия возникновения помпажа:

1) обгорание или разрушение лопаток турбины из-за повышения и возникновения пульсаций воздушного потока;

2) разрушение лопаток компрессора из-за колебаний параметров воздушного потока с большой амплитудой;

3) разрушение элементов конструкции двигателя из-за повышенных вибраций.

Меры борьбы с помпажом:

1) плавное изменение числа оборотов ротора турбокомпрессорной группы;

2) перепуск части воздуха с первых ступеней компрессора в атмосферу или в последующие ступени;

3) запуск двигателя с наветренной стороны;

4) установка систем непрерывного автоматизированного контроля за изменением и частоты вращения турбокомпрессора;

5) изменение углов установки лопаток ВНА и СА первых ступеней;

6) перфорация корпуса компрессора над рабочими лопатками первых ступеней;

7) установка на двигатель мощного стартера с автономным переключением питания с 24 V на 48 V (при запуске).

Известно, что помпаж двигателя определяется, в первую очередь, внезапным падением давления Р, возникающим за компрессором и увеличением температуры газов перед турбиной.

2.2.1. Параметры и качественные признаки технического состояния компрессора, используемые при его диагностировании (см. табл.1 Приложения)

2.2.2. Характерные дефекты дисков компрессоров и турбин

Основными причинами разрушения дисков являются:

- низкое качество поковки и механической обработки;

- наличие посторонних включений в материале;

- коррозия поверхности;

- неправильная сборка и несовершенство контроля изготовления;

- эксплуатационные факторы.

По данным бюро безопасности национального транспорта США (NTSB USA), 15% разрушений приходится на вентилятор, 47% - на компрессор и 38% - на турбину, причем, 58% - на набор высоты, 25% - на взлет и посадку, 15% - на крейсерский режим. Разрушение дисков вызывает на самолете пожар (30%), повреждение топливной системы (15%), крыльев (40%) и кабины (15%). Из этого видно, что разрушение дисков является одним из наиболее опасных отказов двигателя. Сложный профиль дисков, отверстия в полотне и металлургические дефекты, создающие зоны концентрации напряжений, являются очагами усталостного разрушения. Способствующими факторами являются также риски от механической обработки и поверхностные остаточные растягивающие напряжения. Разрушение дисков может быть вызвано перегревом полотна диска в целом, местным перегревом отдельных его элементов или кратковременной статической перегрузкой, в следствии самопроизвольного возрастания оборотов ротора. Перегрев центральной, наиболее напряженной части диска, приводит к повышенной вытяжке. Этому способствуют высокий уровень статического напряжения от действия центробежных сил и пониженный уровень механических свойств материала.

Определение истинных причин разрушения дисков сводится к решению следующих задач:

1) определение числа оборотов в момент разрушения;

2) определение поля температур, вызвавших пластическую деформацию диска;

3) определение типа напряженного состояния поверхностного слоя после изготовления (наклеп, растягивающие остаточные напряжения и т.д.);

4) определение величины пластической деформации;

5) проверочный расчет на прочность по фактическим размерам и механическим свойствам материала.

От действующего термического напряжения при многократных повторах цикла «запуск - остановка» на ободной части диска могут возникать термические трещины, этому способствует наклеп от механической обработки и газовая коррозия по границам зерен.

В замковом соединении лопасти и диска возможно появление усталостных трещин при неравномерном распределении усилий по зубьям «елочного» соединения. В замках также возможно появление фреттинг-коррозии, которая способствует возникновению усталостных трещин.

Диски осевых компрессоров

В зависимости от температуры диски выполняются из титановых сплавов (ВТ8, ВТ9, ВТ25У) или жаропрочных сталей (13Х12Н2В2МФ) и сплавов (ХН73МБТЮ, ХН62БМКТЮ).

Дефекты дисков:

1. Усталостные трещины на лабиринтах выполненных заодно с диском и имеющих консольное расположение.

В процессе доводки и эксплуатации возможны случаи появления трещин на гребешках лабиринта диска после различной наработки. Дефекты появляются и в условиях обеспечения гарантийного зазора между гребешками роторной части лабиринта и гладкой частью статора во всем диапазоне частот вращения.

2. Газонасыщенные участки в штамповках титановых сплавов.

Наличие газонасыщенных участков - весьма опасный дефект. Если дефектный участок не выходит на поверхность, то его трудно обнаружить существующими методами контроля и от него может развиваться усталостная трещина.

При развитии трещины появляются повышенный дисбаланс и вибрации двигателя, что является признаком неисправности.

Меры предупреждения и обнаружения подобных дефектов: отработка технологии производства штамповок дисков, исключающее появление газонасыщенных участков, усовершенствование методов ультразвукового контроля, периодический контроль дисков в эксплуатации, специальная методика диагностирования вибрационного состояния, систематическое наблюдение за динамикой уровня вибрации по автоматизированной регистрации.

3. Объемные остаточные напряжения, наведенные на стадии изготовления заготовки, повышенная хрупкость материала диска вследствие превышения допустимого содержания алюминия.

Данный дефект является причиной разрушения диска компрессора из титанового сплава после наработки более 1000 часов и 5000 циклов от малоцикловой усталости.

Опасность данного дефекта состоит в том, что он не может быть выявлен при стандартных испытаниях, а, следовательно, газотурбинная установка может выйти из строя внезапно, через достаточно длительный период времени.

Указанный дефект может быть выявлен только при малоцикловых испытаниях материала с выдержкой под нагрузкой.

4. Трещина усталостного характера от отверстий под препарирование.

На внутренней части полотна диска компрессора (под соединительными проставками) возможны трещины от отверстий выполненных под препарирование для тензометрирования в местах приварки фольги

Трещина имеет усталостный характер, очаг усталости на месте контактной сварки. Для исключения дефекта осуществляют скругление и полирование кромок отверстия и последующее упрочнение. Контактную приварку фольги исключают из технологии препарирования.

Ресурс дисков определяется малоцикловой и высокочастотной усталостью, а для горячих дисков последних ступеней компрессоров некоторое влияние на ресурс может оказать их длительная прочность. С учетом этого выбирают методы упрочнения дисков.

2.2.3. Замки крепления лопаток компрессоров

Для крепления рабочих лопаток компрессора к диску обычно применяют замки: ласточкин хвост, шарнирные или елочные.

Замки воспринимают статические нагрузки от центробежных и газовых сил, действующих на лопатки, и поперечные нагрузки от лопаток. На замки действуют также собственные центробежные силы.

Замок ласточкин хвост

Замок ласточкин хвост наиболее простой, технологичный и легкий.

В замке ласточкин хвост обычно оцениваются напряжения растяжения и изгиба в межпазовом выступе диска, напряжения смятия по контактным граням и напряжение среза хвостовика и выступа диска (рис.1.1).

Возможна также дополнительная оценка несущей способности замка под действием растягивающей силы и крутящего момента, вызванного несовпадением линии действия нормальной силы N по обе стороны контактной грани при угле установки лопатки отличном от нуля (рис.1.2).

Рис. 1.1. Cхема нагружения замка ласточкин хвост

1-ось замка; 2-ось колеса

Рис.2.2. Схема действия сил на межпазовый выступ диска при косом замке ласточкин хвост

Угол наклона контактной грани находится в пределах . Выбор угла определяется числом лопаток в колесе, допустимыми напряжениями смятия, сопротивлением усталости замка и размерами лопатки. Наиболее распространенным является замок ласточкин хвост с углом .

В процессе доводки компрессоров отмечаются случаи усталостного повреждения хвостовиков лопаток. Так, у лопаток из сплава ВТ9 с замком ласточкин хвост с углом появлялись усталостные трещины и поломки хвостовика. Очаг усталости находился в непосредственной близости к радиусу перехода от контактной поверхности к торцу хвостовика. В зоне расположения трещины по которой происходило разрушение, имелись следы контактной коррозии, значительно снижающей предел выносливости материала.

Такие дефекты устранялись двумя способами:

1) установкой на хвостовики лопаток прокладок толщиной 0.2 мм из сплава ХН78Т. Однако установка их значительно усложняет технологию изготовления и сборки колеса. Кроме того при большой наработке (более 1000 ч) наблюдается износ прокладок;

2) изменением угла хвостовика с на с одновременным увеличением длины хвостовика с 32 до 50 мм.

Замковое соединение с углом под воздействием центробежных сил от лопаток является самозаклинивающимся, что предотвращает микроперемещения хвостовиков в пазах диска. Это уменьшает склонность к появлению фреттинг-коррозии. Увеличение длины снижает напряжения на рабочих поверхностях хвостовика. Возможно также контактная коррозия на поверхности замка ласточкин хвост лопаток вентиляторного колеса. Причиной является наличие микроперемещений хвостовиков лопаток в пазах диска при колебании лопаток. Уменьшить проявление дефекта можно с помощью зачистки мест образования контактной коррозии и последующего упрочнения микрошариками. Это увеличивает ресурс, но не исключает дефект полностью.

Наиболее эффективный способ устранения дефекта - накатка роликом (рифление поверхности) рабочих поверхностей хвостовиков. В процессе накатки происходит пластическая деформация, что создает наклеп и остаточные напряжения сжатия и более благоприятную структуру их залегания по сравнению с упрочнением гладкой поверхности. Кроме того, рельеф связанных каналов позволяет удалять с поверхности продукты изнашивания и транспортировать твердый смазочный материал к местам контакта.

Для уменьшения склонности к дефектам усталостного происхождения наиболее часто проявляющихся в замках ласточкин хвост рекомендуется следующее:

- уменьшение статических и переменных напряжений в замке путем усиления перемычки и уменьшение угла установки замка;

- увеличение радиуса перехода в углах паза и его полирование;

- упрочняющая обработка замка, повышающая изгибную и контактную выносливость;

- разгрузка краев замка введением скосов;

- уменьшение переменных напряжений в колесе с помощью частотной отстройки демпфирования или путем устранения источника возбуждения.

Елочный замок

Елочные замки для крепления лопаток применяют с целью размещения большого числа лопаток в колесе. Обычно это замки с более крупными зубьями по сравнению с турбинными и содержат меньшее число пар зубьев.

Наиболее часто встречаются усталостные трещины зубьев замка в условиях существенной асимметрии нагружения.

Для повышения сопротивления усталости и снижения склонности к фреттинг-коррозии замки крепления лопаток упрочняют дробеструйной обработкой, микрошариками или виброобработкой. На контактных поверхностях замков иногда наносят рельефную гравюру в виде многогранников или других фигур.

Шарнирный замок

Шарнирный замок применяют для крепления лопаток с целью отстройки от резонансов низших форм колебаний.

Для повышения сопротивления усталости шарнирных замков используют упрочнение отверстий раскатыванием, которое повышает их предел выносливости примерно на 15%. Введение финишной операции - раскатывания отверстий - обеспечивает в поверхностном слое стабильные сжимающие остаточные напряжения, уменьшает шероховатость поверхностей и увеличивает микротвердость на 25%.

2.2.4. Рабочие лопатки осевых компрессоров

Компрессорные лопатки можно разделить на две большие группы - рабочие лопатки колес и статорные лопатки. Рабочие лопатки работают в более сложных условиях и поэтому их проектированию уделяется особое внимание. Для статорных лопаток многие проблемы отсутствуют, и проектирование менее проблематично.

Статические напряжения в лопатках в основном складываются из напряжений растяжения от центробежных сил и изгибных напряжений от газовых и центробежных сил.

В зависимости от рабочих температур и нагрузок рабочие лопатки выполняют из алюминиевых (ВД17), титановых (ВТ3-1, ВТ6, ВТ8, ВТ9) или жаропрочных сталей (13Х11Н2В2МФ, 15Х12Н2МВФАБ) и сплавов (ХН45МВТЮБР, ХН70ВМТЮБ).

Определяющим видом нагружения для рабочих лопаток компрессора являются переменные напряжения.

Большинство дефектов рабочих лопаток компрессоров связано с повышенным возбуждением переменными нагрузками или недостаточным сопротивлением усталости лопаток.

Для исключения попадания лопаток с пониженным сопротивлением усталости предпринимается следующее:

- введение сплошного контроля микроструктуры штамповок лопаток;

- введение выборочного контроля сопротивления усталости натурных лопаток (одна лопатка от колеса);

- внедрение технологии гидродробеструйной обработки лопаток, обеспечивающей улучшенное качество поверхности;

- замена марки материала лопаток - ВТ3-1 на ВТ8, имеющего более высокий предел выносливости;

- введен

Поиск по сайту: