ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Развитие двигателестроения и накопление значительного опыта эксплуатации ГТД позволили в настоящее время достичь больших межремонтных и назначенных ресурсов. Межремонтные ресурсы

лучших отечест I ИНЫХ ДИИГаТе — лей достигают iciupcx и более тысяч часов, назначенные ресур­сы некоторых двигателей дости­гают свыше десяти тысяч часов При этом характерно то, что ос­новные базовые узлы двигателей в большинстве случаев работают в пределах назначенного ресурса. Однако по мере увеличения меж­ремонтных ресурсов двигателей безотказность их уменьшается (рис. 14.5).

При увеличении ресурса ГТД (по данным зарубежных авиаци­онных компаний) свыше 7000 ч вероятность досрочного съема дви­гателей с эксплуатации составляет 0,5.

Современные газотурбинные двигатели являются дорогостоя­щими изделиями, стоимость их ремонта также очень высока Поэто­му увеличение ресурсов экономически выгодно при условии обеспе­чения высокого уровня надежности двигателей. Это может быть достигнуто прежде всего путем внедрения технической диагностики, позволяющей выявлять неисправности двигателя на ранней стадии их развития. Внедрение средств и методов диагностики позволяет предотвращать отказы двигателей в полете и тем самым максималь­но использовать индивидуальные возможности эксплуатации каж­дого двигателя без выполнения принудительных ремонтов. Кроме того, ьиедрение диагностики позволяет предупреждать вторичные разрушения двигателей и тем самым уменьшать затраты на восста­новление отказавших двигателей. Для технической диагностики двигателей используют и совершенствуют следующие основные методы:

визуальный осмотр н осмотр с помощью оптических приспособ­лений;

методы неразрушающего физического контроля; контроль вибрации двигателя;

контроль состояния масла, характеризующего состояние узлов, омываемых маслом;

контроль параметров, характеризующих состояние ГТД. Авиационный газотурбинный двигатель является сложным из­делием, и ни один из перечисленных методов в отдельности ие мо­жет дать достоверную оценку его технического состояния. Только совершенствование методов комплексной оценки может ПОВЫСИТЬ! достоверность контроля технического состояния газотурбинного двигателя (рис. 14.6).

Метод визуального осмотра является оперативным видом конт­роля технического состояния корпусов двигателя, герметичности топливной и масляной систем силовой установки, входных направ­ляющих аппаратов и лопаток первых ступеней компрессоров и по­следних ступеней турбины, а также других доступных элементов

двигателя и систем силовой установки Однако наиболее нагружен­ными в двигателе являются первые ступени турбины, камеры его рания, последние ступени компрессора, опоры трансмиссии двига теля и другие элементы, которые зачастую недоступны для визу ального контроля.

Поэтому в последние годы широкое применение находят различ иые оптические приспособления, позволяющие контролировать кон­структивные элементы проточной части двигателя, лопатки всех ступеней компрессора и турбины, камер сгорания Б качестве оми­ческих средств в зарубежной практике используют боросколы, позволяющие осматривать конструктивные элементы в самых труд­нодоступных местах Для облегчения контроля большого количе ства лопаток используют телевизионные приставки Для доступа к элементам проточной части в конструкции двигателя предусматри ваются смотровые окна.

В конструкции двигателя Олимп-593 обеспечен доступ с помощью 60 двойных смотровых окон для бороскопического осмотра всех ступеней компрессора и турбины.

Для контроля отдельных конструктивных элементов дввтедя используются различные методы неразрушающего физического контроля, такие как токовихревой, ультразвуковой, магнитный Однако указанные методы требуют больших трудозатрат и имеют ограниченные области применения. Поэтому они используются, как правило, как дополнительные виды контроля для уточнения харак­тера дефекта.

Некоторые зарубежные авиационные компании исполь­зуют метод рентгеноскопии конструктивных элементов двигателя, недоступных для визуального контроля Прин­цип метода основан на дистан­ционном введении радиоактив­ного изотопа «ирндий-192» в. полый вал двигателя, а сна­ружи двигателя размещают рентгеновскую пленку для по­лучения изображения контро­лируемых деталей. Метод мо­жет быть эффективен для оценки состояния камер сгорания, ло­паток сопловых аппаратов и других элементов газовоздушиого тракта.

Контроль вибрации

Величина вибрации корпуса двигателя является одним нз основ­ных параметров, характеризующих техническое состояние двигате­ля. Под контролем вибрации обычно подразумевают контроль ин­тенсивности (уровня) общей вибрации двигателя.

Корпусы авиадвигателя испытывают вибрации, порождаемые вращающимися узлами и автоколебательными процессами в газо — воздушиом тракте в широком диапазоне частот (рис. 14.7). Наибо­лее опасны вибрации, вызванные неуравновешенными центробеж­ными силами. Частотный диапазон таких вибраций находится в пределах от 50 до 300 Гц н зависит от величины дисбаланса вра­щающихся частей роторов двигателя. В настоящее время все само­леты с ГТД оборудованы виброизмерительной аппаратурой, позво­ляющей производить контроль общей вибрации двигателя в низко­частотной области, т. е. интенсивность роторной вибрации.

Основные параметры вибрации на некоторой фиксированной частоте / в герцах (вибросмещение s в миллиметрах, виброскорость v в миллиметрах в секунду и виброускорение w в миллиметрах на секунду в квадрате) связаны между собой следующими зависимо­стями-

■o—Znfs; та=4л2/2х.

Для контроля уровня вибрации турбовинтовых двигателей, ра­ботающих при фиксированных частотах вращения, используется безразмерный коэффициент вибрационной перегрузки k, равный отношению вибрационного ускорения w к ускорению свободного падения g в метрах на секунду в квадрате:

k=— 10~3.

е

Для миогорежимных двигателей, работающих в диапазоне час­тот вращения роторов от режима малого газа до максимального.

Для оценки уровня вибрации используют параметр виброскорости, не зависящий от частоты вращения роторов

При отсутствии неисправностей во вращающихся деталях рото­ров уровень вибрации, соответствующий их частоте, сохраняется почти стабильным до выработки ресурса двигателя

В случае появления неисправностей во вращающихся деталях роторов, приводящих к разбалансировке их, происходит измене­ние уровня вибрации

При превышении уровня вибрации в полете выше допустимого значения необходимо принимать решения в соответствен с реко­мендациями, изложенными в руководствах по летной эксплуатации самолетов

В целях диагностики н прогнозирования технического состояния двигателей необходимо производить регистрацию параметров виб­рации в каждом полете и анализировать их изменение по наработ­ке двигателей Именно анализ тенденций изменения уровня вибра­ции каждого двигателя позволяет выявлять неисправности во вращающихся деталях роторов на ранней стадии их развития (рис. 14.8)

Однако оценка изменения общего уровни вибрации двига­теля, измеряемого бортовой системой контроля, зачастую не по­зволяет обеспечить достаточную глубину контроля, т е выявление неиспр авного элемента.

Постановка уточненного диагноза может быть обеспечена путем замера всего спектра вибрации и использования других методов контроля Учитывая то обстоятельство, что двигатели в большинст­ве случаев при появлении дефектов в роторной части в процессе их эксплуатации ие восстанавливаются, постановка общего диагноза по параметру вибрации может быть достаточной для принятия ре­шения о досрочной замене двигателя. Для эффективного контроля технического состояния по изменению уровня вибрации необходимо обоснование норм на величину скорости изменения уровня виб­рации.

Рис. 14 8. Изменение коэффициента вибрационной перегрузки ТВД по наработке’ а —при разрушении диска турбины (б —начало, б —конец разрушения); б —при роэру шеиии средней опоры ротора (0—б — период прйработкві

8*

Анализ отказов и неисправностей газотурбинных двигателей по­казывает, что около 50% отказов двигателей происходит по причине разрушения детален, работающих в масляной среде (подшипников, зубчатых передач, шлицевых соединений и др.). Масло является носителем информации технического состояния изнашиваемых де­талей, омываемых маслом. Б процессе работы двигателя продукты износа попадают в масло н циркулируют в маслосистеме. Как из­вестно, количество продуктов износа т, поступающих в масло, про­порционально скорости износа и узлов двигателя (рис. 14.9). При аварийном износе трущихся узлов двигателя поступление продук­тов износа в масло резко увеличивается как по объему, так и по величине металлических частиц, появляется так называемая метал­лическая стружка.

Простейшими способами контроля изнашиваемых деталей яв­ляются: периодический контроль наличия стружки на маслофильт­рах, постановка и контроль магнитных пробок и сигнализаторов стружки. Магнитные пробки и сигнализаторы стружки устанавли­вают в трубопроводах откачки масла, в коробках приводов и редук­торах. Указанные методы контроля позволяют в ряде случаев вы­являть начальные разрушения изнашиваемых деталей, омываемых маслом. Анализ состояния частиц, улавливаемых магнитными про­бками или фильтрами, может позволить зачастую определить при­чину их появления. Рассмотрение частиц под микроскопом при уве­личении в 10—40 раз позволяет определить их форму и размеры.

При постановке диагноза необходимо учитывать наработку дви­гателя. Так, в приработочном периоде металлические частицы обыч­но крупные и шероховатые. В периоде нормальной эксплуатации частицы обычно мелкие, неправильной формы, смешанные с метал­лической пылью. При появлении неисправностей в период повышен­ного износа размеры частиц увеличиваются, а внешний вид их име­ет обычно ту особенность, что одна поверхность (рабочая) блестя­щая, а другая матовая, форма чешуйчатая. На блестящей поверхности можно рассмотреть линии направленной нагрузки. Однако указанные методы контроля не позволяют прогнозировать изпоеовые отказы двигателей, а в основном служат для выявления неисправности двигателя.

Б последние годы в диагностической практике на различных видах транспорта находит применение метод спектрального анали­за масел, позволяющий оценивать концентрацию продуктов износа в масле и прогнозировать износовые отказы двигателей. Метод основан на сжигании в электрической дуге проб масел, при этом атомы химических элементов возбуждаются и изучают фотоны света. Интенсивность свечения при этом зависит от концентрации каждого химического элемента в данной пробе.

Анализ изменения концентрации продуктов износа в масле по­зволяет оценивать интенсивность износа вращающихся узлов дви­гателей и в ряде случаев прогнозировать износовые отказы (рис.

Рис 14 9 Зависимость скорости изно са узлов двигателя и и поступления продуктов износа в масло m по иа работке

/ — приработка // — нормальный износ, III — аварийный износ

Ї4.10). Для повышения достоверности контроля необходимо учиты­вать наработку масла и количество его дозаправок. Учет дозапра­вок масла позволяет также определять расход масла в двигателе. Параметр расхода масла по наработке двигателя может быть само­стоятельным диагностическим признаком появления неисправностей в лабиринтных уплотнениях « других элементах двигателя.