книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 5 Автоматика и регулирование авиационных двигателей и энергетических установок

грешности оценки параметров для многополетно­ го контроля целесообразно использовать устано­ вившиеся режимы работы маслосистемы. Такими режимами могут быть: режим малого газа, режим, на котором выполняется взлет, режим набора вы­ соты, крейсерский режим полета. При многополет­ ном анализе оценивается величина изменения кон­ тролируемого параметра по сравнению с началь­ ным периодом эксплуатации и скорость изменения параметра по наработке за выбранный фиксирован­ ный интервал наработки, например, за 10 - 20 цик­ лов (полетов). Увеличение интервала оценки повы­ шает достоверность оценки при отсутствии неис­ правностей, но вызывает задержку срабатывания допуска. Рассчитывая скорость изменения парамет­ ра можно спрогнозировать, когда он достигнет пре­ дельных значений, когда и где следует ожидать по­ явление неисправности. На основании многополет­ ного анализа прогнозируется выработка ресурса парка двигателей, осуществляется планирование за­ купки запчастей, работ при регламентном обслужи­ вании, ремонта двигателей, внедрение мероприятий по увеличению срока службы двигателей.

Сувеличением надежности, компактности

ипроизводительности компьютеров и с развитием средств связи в последнее время просматривают­ ся тенденции к применению алгоритмов многопо­ летного анализа во время полета как на борту са­ молета, так и с помощью средств телеметрии наземными комплексами.

Используя алгоритмы многополетного анализа параметров маслосистемы можно выявить неисп­ равности ГТД и устранить их до того, когда они войдут в свою критическую стадию, когда может произойти выключение двигателя в полете или его отказ в транзитном аэропорту.

По давлению масла на входе в двигатель мож­ но определить правильность регулировки давления масла, исправность нагнетающего маслонасоса

идругих элементов маслосистемы (маслофильт­ ров, редукционных клапанов и т.д.), расположен­ ных в нагнетающей магистрали.

По изменению количества масла в баке рассчи­ тывается часовой расход масла в двигателе (безвоз­ вратные потери), характеризующий герметичность маслосистемы.

По изменению температуры масла можно оце­ нить изменение теплоотдачи от омываемых мас­ лом деталей ГТД или эффективность работы мас­ ляных теплообменников.

По величине перепада давления на маслофиль­ тре определяется момент, когда засорен масло­ фильтр. Сигнализаторы стружки в масле позволя­ ют определить, когда содержание металлических частиц в масле достигает опасного уровня. В слу­ чае измерения перепада давления на маслофильт­

ре и количества стружки в масле датчиками появ­ ляется возможность контролировать процесс изме­ нения содержания металлической стружки и кок­ са в масле во времени, что позволит выявить неисправность на более ранней стадии. Кроме того, в случае поломки сигнализатора она может быть не выявлена, а при использовании датчика его не­ исправность может быть выявлена при наличии от­ клонений от нормы.

По величине давления в системе суфлирования можно определить герметичность масляных поло­ стей двигателя, исправность агрегатов, отделяю­ щих воздух от масла.

При экспертном анализе по характеру измене­ ния параметров маслосистемы в комплексе с дру­ гими параметрами двигателя можно определить наиболее вероятные неисправности двигателя, что существенно облегчает их обнаружение на ран­ ней стадии развития и поиск визуальными мето­ дами.

3.3.3. Контроль содержания в масле частиц износа (трибодиагностика)

Методы трибодиагностики

Опыт эксплуатации ГТД в России и в мире сви­ детельствует о значительном количестве отказов двигателей в связи с выходом из строя смазывае­ мых узлов трения [3.9]. Это обуславливает важную роль, которую играет трибодиагностика.

Частицы изнашиваемых металлов образуются в результате взаимного перемещения металличес­ ких деталей в механических системах, несмотря на наличие смазки. Такое перемещение сопровожда­ ется трением и постоянным износом контактиру­ ющих поверхностей. Металлические частицы исти­ раемого материала попадают в масляную систему. Следовательно, в масло переходят частицы износа сплавов и покрытий, применяемых для изготовления трущихся деталей и узлов маслосистемы, а также атмосферной пыли. В масле появляется потенциаль­ ный источник информации, который непосредствен­ но свидетельствует о состоянии данного узла.

Трибодиагностику, условно, можно разделить на две части - бортовую и лабораторную.

Бортовая трибодиагностика необходима для предупреждения о дефекте узлов трения во время работы двигателя за небольшой период времени до возникновения опасности их разрушения, т.е. яв­ ляется средством контроля состояния. Лаборатор­ ная диагностика предназначена для долгосрочно­ го прогнозирования дефекта и определения его местоположения в двигателе.

В качестве бортовых средств трибодиагности­ ки, в основном, используются магнитные пробки, сигнализаторы стружки в масле и фильтры-сигна­

Глава 3. Системы диагностики

внедряется оборудование, которое отличается от предшествующего поколения приборов только со­ временной элементной базой и автоматизирован­ ным способом обработки поступающей информа­ ции [3.13]. Рентгенофлуоресцентная аппаратура делится на две большие группы по способу разло­ жения в спектр и детектирования флуоресцентно­ го излучения. Процесс анализа на современных рентгеновских флуоресцентных спектрометрах полностью автоматизирован.

а) Кристалл-дифракционная аппаратура (или аппаратура с волновой дисперсией) использует кри­ сталл - анализаторы, обеспечивающие весьма вы­ сокое спектральное разрешение по длинам волн. Разложение флуоресцентного излучения в спектр происходит в детекторе и основано на использова­ нии закона Вульфа-Бреггов для монокристаллов.

Кристалл-дифракционная аппаратура представ­ лена, как правило, стационарными установками, использующими мощное первичное излучение рентгеновских трубок. Промышленные кристаллдифракционные спектрометры являются, как пра­ вило, многоканальными, имеющими набор жест­ ко фиксированных спектрометрических каналов, настроенных на регистрацию флуоресценции от­ дельных элементов. Они используются обычно в п- ромышленных лабораториях для определения эле­ ментного состава сталей, сплавов, горных пород, цементов, руд, продуктов обогащения и т.д.

В исследовательских лабораториях, когда набор определяемых элементов заранее неизвестен и тре­ бования к экспрессности не так велико, предпочти­ тельнее одноканальные рентгеновские спектромет­ ры, легко настраиваемые на регистрацию флуорес­ центного излучения любого элемента.

б) Бездифракцпонная аппаратура (или аппа­ ратура с энергетической дисперсией) использует энергодисперсионные детекторы рентгеновского излучения. Остальные элементы рентгенофлуо­ ресцентного спектрометра одинаковы для крис- талл-дифракционной и бездифракционной аппа­ ратуры.

Бездифракционная аппаратура отличается вы­ сокой светосилой, сравнительно малыми габари­ тами, небольшим энергопотреблением и невысокой стоимостью. Важным достоинством этой аппара­ туры является возможность получить информацию об интенсивностях почти всех формирующих про­ бу элементов за одну экспозицию.

Вконструкции двигателя используются сплавы,

вчастности, стали, концентрация легирующих до­ бавок в которых в 10... 100 раз меньше концентра­ ции железа. Так, в стали ЭИ-347-Ш, из которой из­ готавливаются подшипники, концентрация железа составляет около 85 %, вольфрама - 10 %, никеля - менее 1%, на другие элементы приходится ~ 4 %.

В случае развития дефекта при достижении кон­ центрации железа 4 г/т (концентрация, при которой двигатель снимают с эксплуатации), содержание вольфрама и никеля составит ~ 0,4 г/т и 0,01 г/т со­ ответственно. То есть, значения концентраций W и Ni находятся ниже предела обнаружения рентге­ носпектральных приборов. Это значит, что концен­ трация легирующих компонентов не может быть измерена и, соответственно, не может быть обна­ ружен дефект. Очевидно, что концентрация леги­ рующих элементов будет достаточна для измере­ ния в случае чрезмерного увеличения содержания железа.

Приведенный пример показывает, что при ис­ пользовании диагностической спектральной ап­ паратуры и существующем методическом обес­ печении для двигателей, характеризующихся нормальным износом, возможно определение кон­ центрации, в лучшем случае, только основных ме­ таллов. Концентрация легирующих элементов мо­ жет быть уверенно измерена в случае большого содержания элементов основы, т.е. когда двигатель будет находиться в предотказном, либо отказном состоянии. Поэтому недостаточные пределы обна­ ружения приводят к низкой достоверности резуль­ татов и невозможности отслеживания дефектов на ранней стадии развития.

2. Аппаратура для проведения феррографического анализа

Феррографический способ анализа, в отличие от спектрального, предоставляет значительно боль­ ше информации о частицах износа. Данным спо­ собом представляется возможным оценить размер, индекс износа (количественная оценка содержания частиц износа), форму и состояние поверхности частиц, которая позволяет идентифицировать вид износа.

Стандартом [3.14] установлено около двух де­ сятков типов изнашивания. Поэтому для установ­ ления граничных значений, при которых двигатель допускается (не допускается) к эксплуатации не­ обходимо точное определение типа. На практике его определение представляет собой достаточно сложную задачу ввиду большого разнообразия ти­ пов и одновременности действия. Информация, ко­ торую представляет феррографический анализ по параметрам частиц износа, является не всегда до­ статочной для адекватной оценки технического состояния двигателя.

Феррографический способ анализа увеличива­ ет количество информации об износных частицах по сравнению со спектрометрическими. Главное достоинство феррографии заключается в том, что по форме частиц имеется принципиальная возмож­ ность определения типа изнашивания. Однако здесь возникает задача установления граничных

Глава 3. Системы диагностики

где Xnop, Fnop, Wno?- пороговые значения (в соот­ ветствии со Стандартом ИСО-1683 Хпо?= 10-/*м, Fnop =10 9м/с, Wuo?=10'6м/с2), приведенные к кру­ говой частоте со = 1000 рад/с (f0s i 59 Гц).

Для измерения виброускорения чаще использу­ ется безразмерная величина виброперегрузки Kg, представляющая собой отношение измеренного виброускорения W к ускорению силы тяжести g:

Параметры уровня вибрации связаны между собой соотношениями:

Вышеперечисленные параметры применяются для описания отдельных гармонических состав­ ляющих вибрации. В случае сложной вибрации, которая не описывается простым соотношением (3.1), для характеристики вибрации применяют пиковое значение *пик, эффективное значение хэф и среднее значение хср, которые выражаются со­ отношениями:

11 ,1+Т

(3.10)

?=Y ]\x(t)\Ht)

Пиковое значение вибросмещений представля­ ет собой максимальное отклонение колеблющего­ ся тела и может использоваться, например, при оп­ ределении зазора между совершающими колебания телами. Пиковое значение виброускорения харак­ теризует максимальные значения инерционных сил. Эффективное и среднее значения используют­ ся для оценки общей интенсивности вибрации.

Пиковые значения применяют при анализе гар­ монической вибрации, поскольку в этом случае они определяют амплитудные значения процесса. Для сложного процесса вибрации пиковые значения дают ограниченную информацию, т.к. они описы­

вают процесс в отдельные моменты времени без учета взаимосвязи между ними. Тем не менее, при­ менение пиковых значений для сложного процесса вибрации полезно в тех случаях, когда требуется, например, получить информацию о максимальных относительных вибросмещениях ротора и статора двигателя для анализа зазоров между ними.

Средние и эффективные значения применяются для анализа вибрации, которая не является синусо­ идальной и может быть, например, случайной. Ве­ личина эффективного значения оценивает общую интенсивность вибрации и пропорциональна энер­ гии колебаний [3.17, 3.18, 3.19].

3.4.2. Статистические характеристики вибрации

При изучении вибрации авиационного двигате­ ля практически не удается при повторных измере­ ниях получить совпадающие или достаточно близ­ кие значения измеряемых величин. Это происходит даже в том случае, когда вибрационные исследова­ ния (вибрографирование) производятся на одном и том же экземпляре двигателя, казалось бы, в оди­ наковых условиях, и фиксируется вибрация толь­ ко с частотами первых роторных гармоник. При­ чина такого явления связана с влиянием на уровень вибрации крайне широкого набора внеш-них и внутридвигательных факторов. Учесть все факторы при выполнении измерения невозможно. Например, атмосферные условия можно контролировать, но ими нельзя управлять.

О характере разбалансировки роторов на рабо­ чих режимах - основном источнике роторной виб­ рации - имеется лишь приближенное представле­ ние. Характер разбалансировки будет зависеть как от последовательности и длительности работы дви­ гателя на рабочих режимах, так и от длительности стоянки двигателя перед запуском и положения ротора, в котором он находился при остывании.

Существенное влияние на упругие и диссипа­ тивные свойства силовой схемы двигателя и, соот­ ветственно, на уровень вибрации оказывают неста­ ционарные тепловые поля в деталях и узлах двигателя. Учесть их воздействия на величину виб­ рации оказывается невозможным в виду отсутствия в настоящее время достаточно адекватных моделей теплового состояния для двигателя в целом.

Наконец, в зависимости от множества внешних и внутренних факторов, в колебательной системе двигателя будут в различной степени проявлять­ ся нелинейные эффекты (например, в контактных взаимодействиях во фланцевых соединениях кор­ пусов или тел качения в подшипниках), которые приведут к различной степени взаимовлияния и модуляции гармонических составляющих спек­ тра вибрации.

Глава 3. Системы диагностики

Рис. 3.12. Плотность распределения вероятностей

Для оценки разброса значений вибрации при­ меняется также коэффициент вариации амплиту­ ды вибрации:

Для первых гармоник роторов величина Т| со­ ставляет примерно 0,15...0,25. С ростом вибрации коэффициент вариации несколько падает, а при ма­ лых уровнях - несколько увеличивается [3.21].

3.4.3. Причины возникновения вибрации в ГТД

Вызывающие вибрацию нагрузки, действующие в ГТД, обусловлены принципом действия и особен­ ностями конструкции турбокомпрессора, представ­ ляющего собой лопаточную роторную машину

исоставляющего основу современного ГТД, а так­ же условиями эксплуатации СУ на ЛА. Внешние

ивнутренние возмущающие силы имеют в основ­ ном механическое и газодинамическое (аэромеханическое) происхождение. Поведение системы под действием этих нагрузок может быть проанализи­ ровано на основе изучения вибрационного спек­ тра, являющегося совокупностью простых гармо­ нических колебаний, на которые может быть разложено сложное колебательное движение раз­ личных точек двигателя.

Спектр вибрации ГТД имеет, как правило, ком­ бинированную структуру (см. рис. 3.13) и пред­ ставляет собой сумму широкополосного вибра­ ционного шума (фона) и линейчатого спектра, состоящего из ряда дискретных гармонических составляющих. Наибольший вклад в образование фона вносят возмущающие нагрузки, имеющие аэродинамическую природу; дискретные же со­ ставляющие обусловлены силами как механичес­ кого, так и газодинамического происхождения

Рис. 3.13. Спектр вибрации ГТД: 1- дискретные составля­ ющие; 2- вибрационный шум

[3.18, 3.21, 3.22]. Спектр вибрации определяется частотами: роторной вибрацией; вибрацией аэро­ динамического происхождения; вибрацией, выз­ ванной акустическим шумом; вибрацией, возбуж­ даемой зубчатыми соединениям и подшипниками, вибрацией агрегатов.

Роторная вибрация

Основной источник вибрации ГТД - вращаю­ щийся ротор турбокомпрессора. Основная вибра­ ция возникает обычно с частотой вращения рото­ ра п (измеряется в сек 1) и носит название первой (основной) роторной гармоники.

Ряд особенностей и, в частности, присущая лю­ бой реальной системе нелинейность, приводит к по­ явлению дополнительных вибрационных составля­ ющих, частоты которых кратны частоте основной гармоники:

где i - порядок гармоники [3.15,3.21, 3.22].

Вибрация аэродинамического происхожде­ ния

Основной источник этой вибрации - лопаточные узлы ГТД (вентилятор, компрессор и турбина). В ре­ зультате появляются составляющие с частотами:

где z - число лопаток РК или НА (СА) ступени ком­ прессора (турбины).

Кроме этих составляющих из-за отклонения в ге­ ометрии лопаточных решеток при изготовлении (на­ пример, при различном межлопаточном расстоянии), деформации лопаток под действием центробежных и газовых сил, появления забоин, вмятин, коробле­ ния, эрозионного изнашивания возникают состав­ ляющие с частотами: