УДК 621.452.322

ДИАГНОСТИКА ДВИГАТЕЛЕЙ И УСТРАНЕНИЕ ВЫЯВЛЕННЫХ ДЕФЕКТОВ НА МЕСТЕ БАЗИРОВАНИЯ АТ И В ЦЕНТРАХ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИСПРАВНОСТИ

 

Владимир Анатольевич Панов,
 зам. главного технолога ММП им. В.В. Чернышева,
доцент кафедры технологии изготовления АД МАИ

 

Наиболее важным показателем надежности работы авиационного двигателя является отсутствие отказов во время функционирования всей технической системы. Отказ двигателя может привести к тяжелым последствиям. Основной задачей технической диагностики является распознавание состояния технической системы в условиях ограниченной информации. Теория контролеспособности включает разработку средств и методов получения диагностической информации, автоматизированный контроль и поиск неисправностей. Предупреждая дефект или выявляя его на ранних стадиях развития с последующим быстрым его устранением приведет к 100% возможности эксплуатации двигателей по техническому состоянию, а так же сократить затраты на ремонт.

The most essential reliability of work of aviation engine index is absence of refuses during functioning of all technical system. An engine failure can result in heavy consequences. The basic task of technical diagnostics is recognition of the state of the technical system in the conditions of the limited information. Theory control of ability includes development of facilities and methods of receipt of diagnostic information, automated control and search of disrepairs. Warning a defect or exposing it on the early stages of development with his rapid subsequent removal will result in a 100 % possibility of exploitation of engines on the technical state, and similarly to shorten expenses on repair.

Ключевые слова: авиационный двигатель, диагностика, эксплуатация.

Keywords: aviation engine, diagnostics, exploitation.

Непрерывное развитие AT и повышение требований к уровню безопасности, а также улучшению экономических показателей вынуждают разрабатывать и внедрять более эффективные программы технического обслуживания двигателей. Составной частью такой программы является диагностирование. В связи с этим большое внимание уделяется развитию теории и практики диагностирования, которое выражается в универсализации методов и средств диагностирования и в обеспечении высокой эффективности их использования. Это обуславливает разработку и внедрение новых систем диагностирования AT, которые, в свою очередь классифицируются по различным их характеристикам. Наиболее важным показателем надежности работы авиационного двигателя является отсутствие отказов во время функционирования всей технической системы. Отказ двигателя может привести к тяжелым последствиям. Благодаря раннему обнаружению дефектов и неисправностей в процессе выполнения регламентных работ позволяет устранить подобные отказы в процессе технического обслуживания, что повышает надежность и эффективность эксплуатации, а также дает возможность эксплуатации авиационных двигателей по техническому состоянию.

Основной задачей технической диагностики является распознавание состояния технической системы в условиях ограниченной информации. Техническую диагностику иногда называют безразборной диагностикой, т.е. диагностикой, осуществляемой без разборки двигателя. Анализ состояния проводится в условиях эксплуатации, при которых получение информации крайне затруднено. Часто не представляется возможным по имеющейся информации сделать однозначное заключение и приходится использовать статистические методы. Алгоритмы распознавания в технической диагностике частично основываются на диагностических моделях, устанавливающих связь между состояниями технической системы и их отображениями в пространстве диагностических сигналов. Важной частью проблемы распознавания являются правила принятия решений. Решение диагностической задачи (отнесение двигателя к исправным или неисправным) всегда связано с риском ложной тревоги или пропуска дефекта. Решение задач технической диагностики всегда связано с прогнозированием надежности на ближайший период эксплуатации (до следующего технического осмотра). Здесь решения должны основываться на моделях отказов, изучаемых в теории надежности. Вторым важным направлением технической диагностики является теория контролеспособности. Контролеспособностью называется свойство изделия обеспечивать достоверную оценку его технического состояния и раннее обнаружение неисправностей отказов. Контролеспособность создается конструкцией изделия и принятой системой технической диагностики. Первой задачей теории контролеспособности является изучение средств и методов получения диагностической информации.

В конструкции современных авиационных двигателей используется автоматизированный контроль параметров, которым предусматривается обработка диагностической информации и формирование управляющих сигналов. Методы проектирования автоматизированных систем контроля составляют одно из направлений теории контролеспособности. Вторая задача теории контролеспособности связана с разработкой алгоритмов поиска неисправностей, разработкой диагностических тестов, минимизацией процесса установления диагноза.

Структура технической диагностики характеризуется двумя взаимопроникающими и взаимосвязанными направлениями: теорией распознавания и теорией контролеспособности. Теория распознавания содержит разделы, связанные с построением алгоритмов распознавания, решающих правил и диагностических моделей.

Теория контролеспособности включает разработку средств и методов получения диагностической информации, автоматизированный контроль и поиск неисправностей. Техническую диагностику следует рассматривать как раздел общей теории надежности.

В процессе эксплуатации современных двигателей контролируется 20 - 40 параметров, причем показания приборов имеют три уровня информации: индикация в кабине летчика; регистрация на борту самолета; наземные проверки. В кабину летчика выводятся показания важнейших параметров (например, уровня вибрации двигателей), сведения о которых необходимы для правильного пилотирования самолета. Во всех случаях, когда значения параметров достигают предельно допустимых, используется дополнительная сигнализация (световая или звуковая). Значительное количество информации регистрируется на борту самолета с помощью специальных записывающих устройств с последующим хранением информации на магнитных лентах. Ряд диагностических признаков выявляется при наземной проверке (визуальные осмотры, проверка фильтров и т. п.). На двигателе РД-33 контролируются приблизительно 20 параметров, среди которых: температура газа за турбиной; температура за компрессором; частоты вращения компрессора и вентилятора; давление за вентилятором и компрессором; вибрация в зоне компрессора, температура газов за турбиной. Контролируется расход и температура масла, показания стружкосигнализатора в откачивающей магистрали, давления за маслофильтром, сигнализатор минимального давления масла. Контролируются параметры топливной системы, системы запуска, отбора воздуха и других систем. Так как большинство параметров записываются 1 - 2 раза за полет (давление, уровень вибрации, частота вращения) по результатам анализа и сопоставления с предыдущими показаниями можно принять решение о продолжении нормальной эксплуатации, либо о дополнительном осмотре, замене детали, узла или снятии двигателя с эксплуатации. В диагностическом центре решение принимается группой специалистов, анализирующих поступающую информацию. Для выработки решений могут использоваться ЭВМ, что способствует принятию более обоснованных решений.

Эквивалентные испытания авиационных двигателей показали, что наибольшие повреждения, особенно деталей горячей части, происходят при работе на наиболее тяжелом (максимальном) режиме. Повреждение газовоздушного тракта компрессора происходит при взлете или посадке самолета.

Проведя анализ заявленных дефектов за период с 1986 г. по настоящее время, по которым двигатели типа РД-33 были отстранены от эксплуатации и направлены в ремонт, характерными являются не более 7: попадание постороннего предмета, прогар лоток САТНД, разрушение топливного коллектора, расход масла, заклинивание роторов, вибрация выше допустимой нормы, обрыв лопаток РКТВД. По некоторым дефектам в процессе доводки двигателя и его серийного выпуска были выполнены конструктивные изменения, направленные на повышение надежности. С увеличением наработки двигателей в эксплуатации и увеличения их межремонтного ресурса актуальными характерными дефектами остаются: попадание постороннего предметы в ГВТ, расход масла и вибрация. В связи с тем, что в настоящее время эксплуатирующие организации не достаточно оснащены диагностическим оборудованием и не имеют алгоритмы поиска и устранения неисправностей турбокомпрессора двигателя и обученного персонала для выполнения данных работ после разборки двигателей выявлены незначительные повреждения деталей и сборочных единиц.

По каждому заявленному дефекту на предприятии составлена типовая программа исследований деталей и сборочных единиц, по которым в настоящее время и выполняются работы в процессе ремонта. Составленные программы являются алгоритмом поиска неисправности в процессе разборки двигателя или отдельных его составных частей или сборочных единиц.

Взяв за основу алгоритм поиска неисправности (дефекта) на разобранном двигателе и используя базу выявляемых дефектов на деталях и сборочных единицах на основе современных методов диагностики и разработанного оборудования можно составить алгоритмы поиска неисправности (дефекта) на собранном двигателе и назначить метод его устранения. В качестве базового двигателя для отработки алгоритма в данной статье будет рассмотрен двигатель типа РД-33.

Попадание постороннего предмета (ППП)

Дефект ППП как правило выявляется в эксплуатации по двум параметрам - визуальный осмотр ГВТ с помощью эндоскопов и увеличению уровня вибрации по отношению к последнему полету. В процессе визуального осмотра возможно выявить только ярко выраженные дефекты на рабочих лопатках роторов в виде трещин, забоин, деформаций пера лопатки, обрыва лопатки при этом состояние лопаток спрямляющих и сопловых аппаратов не оценивается.

Повышение точности оценки технического состояния проточной части двигателя возможно выполнить по параметрам рабочего процесса на базе методов искусственного интеллекта и распознавания образов. Адаптированная математическая модель рабочего процесса двигателя, позволит рассчитать и удельные параметры лопаточных машин в характерных сечениях двигателя и получить термогазодинамические параметры. На базе компьютерного моделирования с использованием данных, зарегистрированных на установившемся режиме работы двигателя, можно получить репрезентативную выборку параметров рабочего процесса при различных состояниях проточной части, включая исправное. Изменение параметров рабочего процесса позволит обнаружить наиболее зависимые диагностические признаки и построить портрет неисправностей двигателя при поврежденных сборочных единиц проточной части до конструктивного узла.

Так же для более правильной оценки состояния деталей и сборочных единиц проточной части является применение эндоскопов с хорошей разрешающей способностью и эндоскопов оборудованных приспособлениями для возможности выполнить контроль дефектов неразрушающими методами (ЛЮМ, ЦМ, токовихревой контроль).

Одним из перспективных методов контроля газовоздушного тракта двигателя будет введение в конструкцию двигателей емкостных датчиков контроля, типа Сара 1300 производства фирмы Fogale компании Capablade, которые позволят в процессе наземной гонки, достоверно определить техническое состояние каждой лопатки включая радиальный зазор между торцом лопатки и роторными вставками или кольцом, изменение формы колебаний и вибрации лопаток в зависимости от полученного исходного состояния при их изготовлении или ремонте двигателя.

Расход масла (стружка в масле)

Наиболее частым дефектом в маслосистеме двигателя является расход масла. В настоящее время в эксплуатации двигателей диагностирование технического состояния смазываемых узлов трения осуществляется лабораторным спектральным анализом продуктов изнашивания, содержащихся в смазочном масле, а также различными типами стружкосигнализаторов и визуальным осмотром фильтров и магнитных пробок.

Уплотнения масляных полостей подшипниковых опор роторов авиационных ГТД предназначены для предотвращения утечек масла в тракт двигателя.

В контактных уплотнениях всех типов в качестве уплотняющего материала обычно используются углеграфитовые кольца. Для их изготовления применяются различные материалы: ПГИ, АТГ, НИГРАМ-В, АГ-1500 и др. На двигателе типа РД-33 установлены графитовые кольца из материала АТГ и АГ. При разработке и испытаниях контактных уплотнений, и при эксплуатации двигателей большое значение имеет контроль степени износа углеграфитовых колец.

Одним из путей контроля состояния смазываемых узлов трения является исследование продуктов износа, содержащихся в смазочном масле. Например, практика показывает, что состояние лабиринтных уплотнений можно успешно диагностировать с помощью спектрального анализа масла, а контактных уплотнений с углеграфитовыми кольцами - феррографический, так как для оценки степени их износа углерод является основным составляющим, как колец, так и самого масла.

Феррография - метод магнитного осаждения металлических частиц износа из проб смазочного масла, отобранных из работающей машины для последующего анализа с целью определения видов износа, интенсивности изнашивания и режимов трения и смазки. Метод феррографии используется не только при исследовании ферромагнитных частиц износа, но и частиц из немагнитных материалов. Слабомагнитные и немагнитные материалы, такие как алюминий, бронза, латунь, графит, полимерные частицы и т.д., также будут осаждаться на феррограмме при градиенте магнитного поля 2000 Э/мм, т.к. содержат микровключения магнитных материалов, наличие которых обусловлено технологическими процессами и процессами трения и износа. В подавляющем большинстве авиационные и моторные масла не содержат в своем составе металлы, характерные для конструкционных материалов двигателей. Металлы в различном агрегатном состоянии могут попадать в масло в процессе его производства, хранения, транспортировки или являться продуктами разрушения деталей соприкасающихся с ним. Обладание информацией об изменении концентрации таких элементов как медь, железо, титан, вольфрам, алюминий, кремний и др. позволит предупредить о возникновении неисправности, и приблизительно указать место его возникновения, или необходимости замены масла.

Еще одним из наиболее распространенных дефектов, встречающихся при эксплуатации двигателей, является усталостное выкрашивание (питтинг) поверхностей трения подшипников качения и зубчатых передач. Процесс усталостного выкрашивания при трении качения в подшипниках и зубчатых зацеплениях - питтинг - можно разделить на три этапа: пластическое деформирование поверхностей трения, образование усталостных микротрещин и развитое усталостное выкрашивание. Момент возникновения усталостного выкрашивания может определяться с помощью феррографического анализа, т.к. образующиеся при усталостном выкрашивании и не оседающие на фильтрах мелкие частицы имеют характерные для этого процесса форму и соотношения размеров. Появление хлопьевидных частиц износа на магнитных пробках, стружкосигнализаторах и фильтрах, при отсутствии тренда концентраций металлов при спектральном анализе является критерием оценки появления этого вида изнашивания в двигателе.

При осмотре двигателя и отборе проб масла из каждой опоры с применением феррографического и спектрального анализа можно локализовать место дефекта непосредственно до детали подлежащей замене.

Вибрация

В настоящее время достаточно результативно для контроля вибросостояния двигателя применяется семейство виброакустических приборов дип-1, -1м, -2, -2м, которые применяются для диагностики межвальных, межроторных и других подшипников качения. Контроль осуществляется на неработающем двигателе при ручной прокрутке ротора без закрепления датчиков на корпусе. В частности, дип-2м позволяет выявлять дефекты в виде точечных выкрашиваний (питтинг), раковин, трещин на сепараторах, выработку беговых дорожек тел качения, а также их проскальзывание. Данные приборы позволяют оценить только вышедший из строя подшипников без определения начальной стадии появления дефекта. В современной мировой практике достаточно широко в процессе конструкторских разработок применяется широкополосная вибродиагностика. Применение широкополосной вибродиагностики с наложением на полученные результаты собственных частот деталей дали положительный эффект при отработке методики поиска дефекта "вибрация" при проведении стендовых испытаний двигателей типа РД-33. В процессе эксплуатации двигателей (при проведении регламентных работ) при наличии банка данных собственных частот колебаний деталей и сборочных единиц и имея записанный на магнитном носителе вибрационный паспорт деталей, входящих в конкретный двигатель, можно не только отслеживать изменение их состояния, но и точно локализовать дефект, который может и не отражаться в общем спектре вибрации, так как собственная чистота колебаний деталей при наличии дефектов меняется.

На РД-33 и его модификациях установлено 18 различных типов неразборных подшипников. Общее их количество - около 100. При ремонте двигателя часто оказывалось, что техническое состояние неразборных подшипников было вполне удовлетворительным. Они годились для дальнейшей эксплуатации, но из-за отсутствия методики оценки их состояния, как правило, заменялись на новые. По результатам проведенных исследований и экспериментальных работ совместно с ЦИАМ и ВНИПП был получен и теоретически обоснован количественный критерий оценки технического состояния подшипника. Аппаратный комплекс разработки ВНИПП позволяет по замеренным средним и пиковым величинам амплитуды вибраций определять техническое состояние подшипников и обоснованно принимать решения о замене подшипников при ремонте.

Указанные выше методы диагностики двигателя позволяют разработать алгоритм поиска неисправности и поиска причины дефекта непосредственно до детали. Указанные методы являются дополнением друг к другу и могут использоваться совместно для определения не только дефекта, но и уровня повреждения и метода ремонта.

Имея хорошо оснащенную базу для диагностики двигателей и высококвалифицированный персонал возможна локализация дефектов на ранних стадиях их развития. Предупреждая дефект или выявляя его на ранних стадиях развития с последующим быстрым его устранением приведет к 100-процентной эксплуатации двигателей по техническому состоянию, а так же сократить затраты на ремонт. Контролепригодность и ремонтопригодность РД-33 позволяют в условиях эксплуатации и в центрах восстановления исправности двигателей производить устранение 80 % дефектов путем замены модулей: вентилятора, ротора турбины низкого давления, РКТВД, камеры сгорания с САТВД, САТНД, КДА, фронтового устройство, регулируемого сопла. Без полной разборки могут быть устранены допустимые повреждения на рабочих лопатках ротора вентилятора, а также заменены рабочие лопатки всех ступеней ротора компрессора высокого давления и рабочие лопатки турбины. Это позволяет осуществлять ремонт поврежденных лопаток или их замену непосредственно на двигателе и допускать их к дальнейшей эксплуатации.

Литература

1. И.А. Биргер. Надежность и качество. Межиздательская серия Техническая диагностика Москва "Машиностроение" 1978.
2. С.В. Жернаков. Комплексная диагностика и контроль параметров масляной системы ГТД. Уфимский государственный авиационный технический университет.
3. А.Н. Антонов, Е.К. Межзиль, А.А. Струков. Уплотнения масляных полостей опор роторов ГТД. Доклад на первом международном симпозиуме по транспортной триботехнике "ТРАНСТРИБО 2001".
4. Степанов В.А., Калашников С.И., Угрюмов В.С. Применение феррографического и рентгеноспектрального методов для диагностики технического состояния авиационных турбохолодильников по содержанию частиц износа в смазочном масле. - М., 1986. - С. 5-8. - (Тр. ЦИАМ, № 1159).
5. Юдин А.А., Степанов В.А. Рекомендации по нормированию критериев оценки технического состояния узлов трансмиссии ГТД по результатам спектрального анализа масла.
6. Степанов В.А. Диагностика технического состояния узлов трансмиссии газотурбинных двигателей по параметрам продуктов износа в масле. - НПО "Сатурн", Рыбинск, 2002, 231 с.
7. Елисеев Ю.С. "Диагностика и восстановление работоспособности авиационных ГТД".

Связь с автором:
e-mail: vapanov@list.ru