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

А

Рис. 3.14. Спектрограмма вибрации вентилятора ГТД:

А - амплитуда; Z - число лопаток

где / = 1, 2, 3,... (см. рис.3.14).

Суммарное действие аэродинамических сил и моментов на ротор приводит вследствие указан­ ных выше причин к возникновению аэродинамичес­ кой неуравновешенности, проявляемой в спектре вибраций на тех же частотах, что и при вибрации от массового дисбаланса. Интенсивность этих состав­ ляющих растет с ростом степени двухконтурности, достигая своих максимальных значений у вентиля­ торов и винтов ГТД [3.15, 3.18, 3.21,3.22].

Вибрация, вызванная акустическим шумом Источником вибрации ГТД может являться так­ же акустический шум, не только генерируемый компрессором и турбиной, но и возникающий при работе входного устройства, выхлопного устрой­ ства и КС. Возникновение вибрации в этих случа­ ях связано с турбулизацией потока, которая возни­ кает при его движении вдоль стенок воздушных каналов, обтекании стоек и других препятствий, смешении с окружающим воздухом, горении, а та­ кие воздействии бокового ветра и атмосферной

турбулентности.

Для входного устройства характерна вибрация, возникающая при взаимодействии турбулентной струи со стенками воздухозаборника и обтекании стоек. Происходящие процессы могут существен­ но интенсифицироваться неоднородностью потока, вызываемой боковым ветром и атмосферной турбу­ лентностью.

Для выхлопного устройства характерно появ­ ление вибрации из-за смешения реактивной струи с окружающим воздухом и взаимодействия возни­ кающей турбулизации со скачками уплотнения в струе.

3.4.Контроль и диагностика по параметрам вибрации ГТД

ВКС при нормальном горении, кроме широко­ полосного шума, обусловленного вихревыми эф­ фектами, возникают составляющие с частотой про­ дольных колебаний столба газа. В некоторых случаях возможно появление режима вибрацион­ ного горения, имеющего автоколебательный харак­ тер. Причиной подобного явления может стать ин­

тенсивная турбулизация потока на входе в КС, а также особенности горения ТВС, вызванные не­ равномерностью подачи топлива, изменением ка­ чества распыла и т.д. [3.18,3.21,3.22].

Вибрация, возбуждаемая зубчатыми соедине­ ниями

Ряд особенностей имеет процесс генерации виб­ рации зубчатыми передачами. Такие передачи име­ ются в редукторах турбовинтовых и турбовальных двигателей, а также на любом типе двигателей и си­ стеме приводов. Кроме роторной вибрации, выз­ ванной неуравновешенностью вращающихся эле­ ментов зубчатых передач (частота этих дискретных составляющих спектра/ = in), возникает вибрация, определяемая взаимодействием зубьев. При работе зацепления каждый зуб подвергается периодичес­ кому силовому воздействию, приводящему к воз­ никновению вибрации с частотой пересопряжения зубьев:

где z - число зубьев соответствующего зубчатого колеса;

/ - порядок гармоники.

В процессе контакта взаимное движение зубь­ ев сопровождается трением качения и трением скольжения, причем последнее имеет большую интенсивность. Силы трения приводят к возбуж­ дению широкополосного вибрационного шума.

Большую роль играет также возбуждение виб­ рации, вызываемое различными погрешностями изготовления зубчатых передач, деформациями, возникающими в процессе работы, а также неисп­ равностями, появляющимися в процессе эксплуа­ тации двигателя.

Циклические погрешности зацепления могут быть разложены по частотным составляющим. Со­ ответствующие компоненты спектра вибрации оп­ ределяются с учетом скорости вращения зубчато­ го колеса. Влияние деформаций зубьев и других элементов зубчатых передач может быть учтено таким же образом.

Возникающие в процессе эксплуатации дефекты приводят к изменению интенсивности различных составляющих спектра и вибрационного шума, а также возникновению новых спектральных состав­ ляющих. Например, при интенсивном изнашивании, выкрашивании или поломке зуба появляются «бо-

Глава 3. Системы диагностики

ковые» частоты/ = (г ± 1) /7, свидетельствующие об амплитудной модуляции частоты пересопряжения зубьев частотой вращения зубчатого колеса.

Внекоторых зубчатых зацеплениях (например,

взацеплениях, имеющихся в приводах агрегатов) из-за малых передаваемых нагрузок может возник­ нуть режим соударения зубьев, который приводит к размыванию дискретных составляющих, увели­ чению широкополосного шума, а также появлению

комбинационных частот типа/ = (z ± 1) п .

Все перечисленные возбуждающие нагрузки могут также вызвать резонансные колебания с ча­ стотами, определяемыми упруго-инерционными свойствами элементов редуктора (зубьев, валов и т.д.) [3.18,3.21,3.22].

Вибрация, возбуждаемая подшипниками Вибрация, возникающая при работе подшипни­

ковых узлов, имеет достаточно сложную структуру

иопределяется большим числом факторов. Одна из основных причин вибрации - геометрические по­ грешности, возникающие в процессе изготовления

имонтажа, а также при силовом нагружении. К ос­ новным погрешностям изготовления относятся вол­ нистость дорожек качения, овальность, гранность

иразноразмерность тел качения, искажение формы сепаратора, его неуравновешенность и т. д. Эти от­ клонения формы приводят к появлению дискретных составляющих спектра, определяемых параметра­ ми погрешности и основными геометрическими размерами подшипника.

Например, вследствие волнистости возникают колебания с частотой:

где dm - диаметр шариков;

Do - диаметр окружности, проходящей через

где z - число граней,

а неуравновешенность сепаратора:

При монтаже и силовом нагружении подшипни­ ка появляются перекосы, меняются зазоры, усили­ вается неравномерность распределения нагрузки между телами качения. Это вызывает интенсифика­ цию вибрации с указанными частотами, а также появление спектральных составляющих с частотой:

из-за смещения оси ротора и периодических изме­ нений жесткости подшипника при перекатывании тел качения.

Трение, имеющееся в подшипнике, способству­ ет образованию широкополосного вибрационного шума. Этот шум усиливается при возникновении повышенных зазоров из-за соударения тел качения и ротора, а также при развитии неисправностей.

Вибросигнал, генерируемый подшипником, особенно при возникновении таких дефектов, как выкрашивание беговых дорожек, имеет импульс­ ный характер. В первом приближении форма этих импульсов может быть описана выражением вида:

где U- амплитуда импульса;

а- декремент колебаний соударяемых деталей;

р- собственная частота колебаний детали;

ф- начальная фаза колебаний.

Частота последовательности виброакустических импульсов вида (3.26) определяется при возникно­ вении дефектов беговых дорожек подшипников вы­ ражением (3.22). Амплитуда импульса определяет­ ся долей кинетической энергии соударяемых деталей, расходуемой на удар и практически линей­ но зависит от частоты вращения ротора.

Вибрации подшипников могут быть обусловле­ ны также их собственными упруго-массовыми ха­ рактеристиками. Импульсное возбуждение и широ­ кополосный шум вызывают резонансные колебания частей опоры, параметры которых могут быть ис­ пользованы для обнаружения различных неисправ­ ностей.

Вибрация подшипника носит в основном ло­ кальный характер из-за малой интенсивности

ибольшого числа высокочастотных составляю­ щих, фильтрующихся конструкцией двигателя

ипрактически неразличимых в месте расположе­ ния штатных вибропреобразователей. Локализации подшипниковой вибрации способствует также при­ менение упругих и упругодемпферных опор [3.18, 3.19,3.20,3.21,3.22].

Вибрация агрегатов

Она определяется их принципом действия

иособенностями конструкции. Большинство агре­ гатов двигателя представляет собой насосы топлив­ ной и масляной систем, причем применяются ка­ чающие узлы трех основных типов:

-плунжерные;

-центробежные;

-шестеренные.

Поскольку рассматриваемые агрегаты представ­ ляют собой узлы гидравлических систем двигате­ ля и ЛА, то для них характерно возникновение виб­ рации гидродинамического происхождения. Поэтому, кроме составляющих спектра с частотой / = ш, вызванной неуравновешенностью ротора, возникает вибрация с частотами, кратными числу основных рабочих элементов ротора z, т. е. плун­ жеров, рабочих лопаток крыльчатки или зубьев зуб­ чатых колес/ = izn.

Как правило, насосы содержат регулирующие устройства, выполненные в виде клапанов посто­ янного давления, распределительных, редукцион­ ных и т.д. Наличие интенсивных возбуждающих сил может привести к возникновению автоколебаний столба жидкости с частотами, соответствующими собственным частотам колебаний клапанов. Это не только вызывает повышенную вибрацию агрегата и трубопроводов, но и может стать причиной уве­ личения вибрации всего двигателя из-за роста пуль­ саций давления в топливном коллекторе.

Причиной возникновения широкополосной виб­ рации могут быть кавитационные явления, возни­ кающие на входе в насосы и в трубопроводах. Эти процессы обычно интенсифицируются при появле­ нии дефектов в подкачивающих насосах [3.21,3.22, 3.25].

3.4.4. Датчики измерения вибрации

В зависимости от того, в какой размерности из­ меряет вибрацию двигателя каждый конкретный датчик вибрации, их подразделяют на два основ­ ных типа, различающиеся по конструкции и осо­ бенностям применения:

-датчики виброскорости;

-датчики виброускорения, наиболее распрост­ раненные в настоящее время.

Основные характеристики датчиков вибрации: - частотный диапазон;

3.4.Контроль и диагностика по параметрам вибрации ГТД

-чувствительность;

-чувствительность в поперечном направлении;

-собственная резонансная частота [3.26].

Датчики виброскорости

Классический датчик виброскорости представ­

ляет из себя сильный кольцевой магнит, в зазоре которого перемещается катушка, связанная с инер­ ционной массой. Такие датчики вибрации еще на­ зывают индукционными датчиками. По закону электромагнитной индукции при перемещении конструкции оборудования, на который установ­ лен датчик, в катушке будет наводиться ЭДС, по величине всегда прямо пропорционально скорос­ ти перемещения катушки в магнитном поле (см. рис. 3.15).

Достоинство - простота и стабильность основ­ ных параметров.

Недостатки:

-ограниченный диапазон частот - от 10 до 1000 Гц;

-большая масса постоянного магнита и, соот­ ветственно, датчика.

Внастоящее время практически не применяются.

Датчики виброускорения

Это наиболее распространенный в настоящее

время вид вибродатчика. По принципу действия и конструкции они делятся на пьезоэлектрические акселерометры и емкостные датчики вибрации.

1) Пьезоэлектрический акселерометр. Конструктивно пьезоакселерометр представля­

ет из себя пьезокристалл с укрепленной сверху небольшой фиксированной массой.

Вибрации двигателя передаются на корпус виб­ родатчика, он перемещается вместе с кристаллом. Масса, укрепленная на кристалле, в соответствии с классическим законом Ньютона, воздействует на кристалл с силой, пропорциональной произведе­ нию ускорения на величину этой массы. Под дей­ ствием инерционной силы происходит деформация пьезокристалла и на его обкладках генерируется

I

Рис. 3.15. Устройство индукционного вибродатчика:

1- кольцевой магнит; 2- масса; 3- катушка ин­

дуктивности

контроля вибрационного состояния двигателя на приемо-сдаточных испытаниях, при длительных стендовых испытаниях и в эксплуатации.

При определении размещения штатных виброп­ реобразователей необходимо стремиться к тому, что­ бы вибрация в этих точках была наиболее четко свя­ зана с возбуждающими силами и имела наиболее характерный для двигателя спектральный состав (причем величина вибрации при этом не обязатель­ но должна быть самой максимальной). Крепление вибропреобразователей к корпусу должно быть та­ ким, чтобы собственная частота вибропреобразова­ теля, размещенного на корпусе, лежала вне иссле­ дуемого диапазона частот вибрации [3.25].

Для эксплуатационных условий допустимый уро­ вень вибрации назначается, исходя из требования обеспечения динамической прочности элементов конструкции двигателя. Однако, это требование, являясь основным, может быть не единственным. Вибрация, передаваясь по самолетным конструк­ циям, может приводить к снижению комфортнос­ ти в салоне самолета, например, по уровню шума. Это также может учитываться при назначении до­ пустимого уровня вибрации в эксплуатационных условиях. В целом, в качестве нормы принимают­ ся такие значения вибрации, при которых доста­ точно мала вероятность вибрационных дефектов, а меры обеспечения заданной нормы остаются при­ емлемыми для конструкции, технологии и эксплу­ атации [3.22, 3.25].

При назначении допустимого уровня вибрации в производстве (на приемо-сдаточных испытаниях) учитываются данные о статистическом разбросе значений вибрации, полученные при доводке и ос­ воении двигателя, а также ожидаемое влияние экс­ плуатационных факторов на величину вибрации. Производственное ограничение вибрации должно выбираться более жестким, чем эксплуатационное, так, чтобы обеспечить в эксплуатации достаточно малую вероятность превышения допустимого уров­ ня. Если при этом окажется, что производственное ограничение может быть с большой вероятностью превышено, разрабатываются мероприятия по сни­ жению вибрации двигателя. Снижения вибрации можно достичь технологическими (качество изго­ товления, сборки, технология и качество баланси­ ровки) и конструктивными (отстройка резонансов и демпфирование колебаний) мерами. Анализ ста­ тистического распределения величин вибрации дви­ гателей на приемо-сдаточных испытаниях дает оценку стабильности производства и позволяет выявить резкие выпады, обусловленные снижени­ ем качества изготовления двигателей.

В эксплуатационных условиях контроль вибра­ ции используется не только для оценки допустимо­ сти ее уровня, но и для вибродиагностики техни­

3.4. Контроль it диагностика по параметрам вибрации ГТД

ческого состояния двигателя. Диагностирование изменения технического состояния двигателя свя­ зано с анализом тенденций изменения параметров вибрации. Для этого выполняется регистрация виб­ рации и построение графиков зависимости парамет­ ров вибрации от времени эксплуатации. С целью уменьшения влияния эксплуатационных факторов регламентируются участки полета и режимы рабо­ ты двигателя, на которых выполняется регистра­ ция вибрации. Анализ тенденций изменения виб­ рации выполняется по результатам ее регистрации в 10...40 полетах в сходных высотно-скоростных и режимных условиях работы двигателя. Опыт показывает, что можно выделить несколько основ­ ных типов поведения вибрации, которые могут быть связаны с появлением и развитием неисправ­ ностей в роторной части двигателя: тренд, скачок, выброс и разброс (см. рис. 3.17) [3.15].

Появление тренда вибрации может указывать на относительно медленное развитие неисправно­ сти, связанной с износом элементов проточной ча­ сти или опор ротора. В практике отмечались слу­ чаи появления тренда в связи с поломками подшипников.

Скачок параметра вибрации представляет рез­ кое изменение ее среднего значения. Это может быть связано с мгновенным изменением неуравно­ вешенности ротора вследствие повреждения лопа­ ток посторонними предметами или, например, об­ рыва болтов крепления деталей в роторе.

Выброс представляет скачкообразное увеличе­ ние уровня вибрации с последующим возвращени­ ем к исходному уровню. Чаще всего такое поведе­ ние наблюдается при неисправности виброаппара­ туры, что выявляется ее проверкой. Возможной причиной также может быть наличие дефекта в дви­ гателе, когда при определенном сочетании теплово­ го состояния и нагруженности ротора с режимом работы двигателя возникает раскрытие стыков со­ прягаемых деталей вследствие недостаточной за­ тяжки или потери натяга. В этом случае происхо­ дит резкое изменение жесткости узла и неуравно­ вешенности ротора. Однако, при снижении нагрузки или изменении режима работы двигате­ ля это явление пропадает.

Появление повышенного разброса параметра вибрации может быть связано с нестабильностью возмущающих сил, изменениями параметров (на­ пример, диссипативных) колебательной системы двигателя или с изменением характера влияния на вибрацию внешних эксплуатационных факторов. Разброс, тренд и скачки параметров вибрации ха­ рактерны и для исправных двигателей.

Алгоритмы вибрационной диагностики ГТД по параметрам вибрации разделяются следующие группы:

Глава 3. Системы диагностики

V, мм/с

•

г*

♦

У

♦

> 9

а

2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 N

в

г

Рис. 3.17. Изменение параметров вибрации ГТД: тренд параметра вибрации; б- скачок;

выброс; г - разброс

-диагностирование состояния двигателя по па­ раметрам вибрации в процессе эксплуатации;

-определение состояния двигателя в процессе доводки эксплуатируемых двигателей;

-обработка и анализ вибросигналов в целях измерения диагностических параметров.

Диагностирование состояния двигателя по параметрам вибрации в процессе эксплуатации

Алгоритмы разделяются на три подгруппы:

1.Допусковый контроль (двухуровневый - пре­ дупредительный и предельный). Допуски могут быть фиксированными или изменяемые с учетом ре­ жима работы двигателя и условий полета ЛА.

2.Контроль наработки с повышенным уровнем вибрации.

3.Диагностирование и прогнозирование состо­ яния двигателя по изменению (тренду) параметров вибрации.

Допусковый контроль по предельным уровням вибрации. Основная задача такого вида контроля, как было показано ранее - обеспечение вибропроч­ ности и вибронадежности двигателя и его обору­ дования, но этот контроль применяют и для обна­ ружения неисправностей. Исправность двигателя оценивается сравнением текущих значений вибра­ ционного параметра с допуском. Предельные зна­ чения вибрационных параметров силовых устано­ вок различных ЛА составляют 50...90 мм/с для двигателей и 100...200 мм/с для силовых передач вертолетов. Обнаружение неисправностей по ГТД по предельным допускам вибрации - достаточно грубый диагностический метод.

Контроль наработки с повышенным уровнем вибрации. Основная задача контроля этого вида -

обеспечение вибропрочности и вибронадежности двигателя (и его оборудования) в условиях выше предупредительного допуска. Наработка контроли­ руется в единицах времени или в циклах вибрации.

Диагностирование по изменению параметров вибрации. Эффективность обнаружения неисправ­ ностей двигателя при контроле параметров суще­ ственно повышается в сравнении с предыдущими алгоритмами, т.к. анализируется изменение парамет­ ров вибрации по наработке. Проявления различных дефектов осуждались ранее и более подробно дан­ ный вид диагностики рассмотрен в разделе 3.5.

Определение состояния двигателя в процессе доводки эксплуатируемых двигателей. Диагности­ руемые при доработках состояния обычно характе­ ризуются комплексом параметров и соответствен­ но комплексами диагностических признаков, знания о которых неполные. Значения параметров и диагностических признаков, определяющих дина­ мическую нагруженность надежных и ненадежных деталей, различаются не очень сильно (вследствие небольших запасов прочности). Кроме того, значе­

ния параметров состояния имеют значительный раз­ брос. Это затрудняет распознавание состояний и оп­ ределение пороговых значений диагностических признаков. Связи между диагностическими призна­ ками и состояниями выявляются эксперименталь­ но по результатам исследования объектов с извест­ ным состоянием диагностируемых элементов. Учитывая указанные особенности, диагноз состо­ яния при доработках необходимо ставить на ста­ тистико-вероятностной основе.

Возможны два подхода к решению этой задачи. Первый - выявление одного или небольшого чис­ ла диагностических признаков, позволяющих при­ менить правило распознавания или оценки. Вто­ рой - принятие решений на основе комплекса исходных физических признаков со сжатием этой информации в одном или нескольких обобщенных (алгоритмических) признаках.

Обработка и анализ вибросигналов. Разнообра­ зие дефектов, обнаруживаемых методами вибро­ диагностики, сложность сигналов, порождаемых неисправностями и колебаниями деталей ГТД, за­ ставляет при выявлении и измерении диагности­ ческих параметров проводить следующие виды обработки сигнала:

-разделение вибрационного сигнала на «элемен­ тарные» сигналы;

-пространственное разделение вибрационных

сигналов;

-восстановление формы выделенных «элемен­ тарных» сигналов;

-линейные и нелинейные преобразования сиг­ налов;

-измерение отдельных параметров и статичес­ ких характеристик сигналов;

-измерение характеристик взаимосвязи сигна­

лов.

Для реализации указанных видов обработки в вибродиагностике ГТД применяются общеиз­ вестные методы: спектральный и автокорреляцион­ ный анализ сигналов, выделение огибающей сиг­ нала (детектирование), синхронное детектирование сигнала, спектральный анализ огибающей, фильт­ рация сигнала с помощью полосовых и гребенчатых фильтров, получение функций частной и множе­ ственной когерентности, многомерный вероятност­ ный анализ и т.д.

Выбор способа обработки сигнала определяет­ ся постановкой диагностической задачи, особен­ ностями исследуемого и выделяемого сигналов, особенностями конструкции обследуемого двига­ теля и другими факторами.

В целом, при решении задач вибродиагностики наиболее важным является умение различать изме­ нения вибрации исправного двигателя, находящего­ ся под воздействием внешних и внутренних эксплу­

3.5. Диагностирование ГТД по газодинамическим параметрам

атационных факторов, от изменений вибрации, выз­ ванных появлением и развитием неисправности в д- вигателе. Повышение достоверности алгоритмов вибродиагностики может быть достигнуто на ос­ нове обобщения обширных данных о возможных типах вибрационного поведения исправных дви­ гателей в сочетании с тщательным анализом неис­ правностей, обнаруженных при эксплуатации, и их влияния на вибрацию.

Наибольшей эффективности вибродиагностики можно достичь сочетанием ее с другими видами бортового и наземного контроля и диагностики па­ раметров двигателя. Здесь следует использовать ре­ зультаты осмотров контрольных элементов маслосистемы ГТД (МП, МСС и ФС), результаты анализа содержания металлов и примесей в масле, резуль­ таты измерения температуры в различных точках маслосистемы и других параметров двигателя.

3.5. Диагностирование ГТД по газодинамическим параметрам

Диагностирование ГТД по газодинамическим параметрам является одним из наиболее распрост­ раненных и эффективных методов оценки его тех­ нического состояния. Именно этим методом оцени­ вается способность ГТД обеспечивать выполнение основных функций - создавать требуемую тягу или мощность.

3.5.1. Неисправности проточной части ГТД

Для различных типов ГТД на стадии их довод­ ки и эксплуатации характерны различные комп­ лексы дефектов и ухудшения состояния проточ­ ной части.

В процессе эксплуатации на двигатель воздей­ ствуют различные факторы - приемистость, сбро­ сы, тепловая нестационарность элементов конструк­ ции, износ пар трения, перегрузки при эволюциях ЛА, изменение климатических условий, попадание посторонних предметов и др. Воздействие факто­ ров эксплуатации проявляется в увеличении ради­ альных зазоров в лопаточных машинах, в износе со­ пряженных элементов, уплотнений, эрозионном изменении формы профилей лопаток, появлении люфтов в приводе НА, загрязнении элементов про­ точной части и каналов системы охлаждения.

Износ элементов газогенератора является ос­ новной причиной ухудшения газодинамических параметров двигателя. Характерными дефектами проточной части являются дефекты турбины - трещины, прогары отдельных сопловых и рабо­ чих лопаток, эрозионный износ торцев рабочих лопаток.

Глава 3. Системы диагностики

Среди прочих неисправностей можно назвать повреждения лопаток компрессора из-за попадания посторонних предметов, эрозионного износа, прога­ ры форсунок, жаровых труб КС, утечки воздуха че­ рез фланцевые соединения компрессора и КС в мес­ тах крепления трубопроводов, клапанов, заглушек, раскрытие стыков турбин.

3.5.2. Требования к перечню контролируемых параметров

В идеале для полноценного диагностирования проточной части ГТД требуется измерение пара­ метров потока (давления и температуры) во всех характерных сечениях: на входе и выходе двига­ теля, на входе и выходе каждого каскада компрес­ сора и турбины. На практике перечень измеряемых параметров значительно меньше, хотя и наблюда­ ется тенденция к его расширению. Чаще всего на современных двигателях измеряется давление и температура воздуха на входе в двигатель, за компрессором и за турбиной. Обязательными для измерения являются частоты вращения роторов, а также параметры, характеризующие изменение регулируемых элементов механизации ГТД, ве­ личину отбора воздуха на нужды противооблединительной системы и системы кондициониро­ вания самолета. Большинство указанных пара­ метров участвуют в регулировании двигателя

иэтим, в первую очередь, обусловлено их приме­ нение.

Температура газа за ТНД представляет собой «комплексный» по чувствительности к состоянию проточной части параметр. Рост температуры мо­ гут вызывать различные причины - увеличение уте­ чек в КВД, ухудшение характеристик компрессора

итурбины. Температура воздуха под панелями га­ зогенератора позволяет выявлять утечки горячего воздуха из КВД. Об изменении характеристик ком­ прессора высокого давления свидетельствует ха­ рактер изменения по наработке температуры воз­ духа за КВД.

3.5.3.Алгоритмы диагностирования проточной части ГТД

Внастоящее время процессы, происходящие

вГТД, достаточно хорошо изучены. В общем слу­ чае они могут быть описаны системой нелинейных уравнений, связывающих между собой параметры состояния (коэффициенты потерь давления, коэф­ фициенты полезного действия узлов, площади про­ ходных сечений, величины утечек газа и воздуха)

иизмеряемые параметры (давления и температуры воздуха и газа в различных сечениях, частоты вра­ щения роторов, расход топлива, тяга).

Развитие (плавное или скачкообразное) дефекта обычно обусловлено изменением недоступных для измерения характеристик узлов, но проявляется оно непосредственно в дрейфе измеряемых термогазо­ динамических параметров. Связь измеряемых пара­ метров с характеристиками узлов описывается тер­ могазодинамическими математическими моделями разного уровня сложности. Во всех методах выяв­ ления дефектов используются данные модели.

Методы выявления дефектов проточной части могут быть классифицированы на два основных вида:

-распознавание дефектов на основании анали­ за измеряемых параметров;

-выявление дефектов, основанное на иденти­ фикации термогазодинамической модели, с после­ дующим распознаванием дефектов на основании анализа параметров характеристик узлов.

Выбор вида, наилучшего для практической реа­ лизации, зависит от текущего этапа жизненного цикла газотурбинного двигателя. По мере увеличе­ ния срока эксплуатации и накопления эмпиричес­ кой информации о состоянии двигателя усиливают­ ся преимущества методов первого направления. Эти методы дополнительно обеспечивают хорошую на­ глядность при выполнении экспертного анализа на группе объектов диагностирования и при регрес­ сионном анализе временных рядов.

Как правило, при применении методов первого вида выполняется приведение значений параметров

кстандартным атмосферным условиям и к расчет­ ному режиму.

При использовании второго вида чаще всего ис­ пользуются так называемые «невязки» параметров или характеристик узлов. Для данных внешних ус­ ловий и режима работы двигателя с помощью ма­ тематической модели (выполняется идентификация модели) рассчитываются значения параметров для различных дефектов и определяется разность с те­ кущими значениями параметров. Полученные раз­ ности и представляют собой «невязки» параметров. Минимальные «невязки» получаются для того со­ стояния, которое соответствуют наиболее вероят­ ному дефекту, задаваемому в модели. Метод опи­ рается на идентификацию модели и перебор возможных дефектов малой кратности.

Принятие решения о конкретном виде состоя­ ния ГТД производится по принципу минимума «невязки». При положительных свойствах метода

ксущественным его недостаткам следует отнести низкую наглядность при выполнении экспертного анализа на группе объектов диагностирования

иособенно при анализе временных рядов. Допустимые величины изменений характерис­

тик диагностируемых узлов назначаются по ста­ тистике, полученной при испытаниях и эксплуата­

ции двигателей, имевших дефекты и отработавших ресурс без дефектов.

В процессе анализа параметров в условиях экс­ плуатации имеет место воздействие случайных факторов на результаты расчетов:

-изменения отбора воздуха или мощности на нужды самолета;

-погрешности измерения и регистрации пара­ метров;

-погрешность поддержания режима работы двигателя системой регулирования.

-неравномерность потока воздуха на входе в дви­ гатель;

-изменение нагрузки приводных агрегатов;

-технологический разброс геометрических раз­ меров, характеристик узлов при изготовлении дви­ гателей;

-износ деталей в процессе эксплуатации;

-влажность, турбулентность воздуха, направ­ ление и скорость ветра.

В системах автоматизированного диагностиро­ вания ГТД традиционно применяются алгоритмы идентификации математических моделей для оп­ ределения неисправностей проточной части и ал­ горитмы тренд-анализа для выявления тенденций изменения измеряемых параметров во времени. Идентификация математической модели заключа­ ется в определении расхождения между измеряе­ мыми и расчетными значениями параметров. При­ менение процедуры тренд-анализа к отклонениям параметров от расчетных позволяет выявить зако­ номерности их изменения по наработке на фоне случайных ошибок измерений.

При относительно низкой частоте регистрации информации бортовыми системами регистрации,

сучетом высокой инерционности каналов изме­ рения отдельных параметров двигателя, затрудни­ тельно обеспечить диагностирование состояния проточной части на переменных режимах работы двигателя. Наиболее приемлемыми для диагности­ рования проточной части ГТД следует признать ус­ тановившиеся режимы работы двигателя. Общие требования к выбору режимов диагностирования можно сформулировать следующим образом:

-режим работы двигателя должен быть доста­ точно высок, чтобы отличить изменения парамет­ ров, вызванные изменением состояния проточной части, от изменений, вызванных случайными фак­ торами;

-измерения параметров должны быть подвер­ жены влиянию наименьшего количества случай­ ных неизмеряемых факторов за счет выбора режи­ мов с максимальным подобием внешних условий

ирежимных параметров.

На режиме взлета двигатель имеет максимально высокие значения параметров, что способствует

3.5. Диагностирование ГТД по газодинамическим параметрам

снижению погрешности измерения. Однако имеют­ ся трудности в обеспечении подобия условий из-за происходящих процессов прогрева массивных де­ талей ротора, закрытия клапанов, изменения скоро­ сти движения воздушного судна и т.д. В условиях набора высоты двигатель прогрет и измерения его параметров подвержены влиянию наименьшего ко­ личества случайных неизмеряемых факторов при до­ статочно высоком абсолютном уровне измеряемых параметров. Режим крейсерского полета проходит при минимальных условиях турбулентности.

Оптимальное время формирования и размеры выборок для определения значений параметров выбираются исходя из особенностей регистрируе­ мой информации двигателя, а также длительности протекания процессов в двигателе.

Впрактике достаточно широко употребляется понятие «реперная точка», служащее как для обо­ значения определенного установившегося режима, так и для осредненного значения параметра, рассчи­ танного по выборке значений. Для исключения вли­ яния метеоусловий на величину контролируемых парметров ГТД требуется выполнить приведение их

кстандартным атмосферным условиям (MCA). Для уменьшения влияния погрешностей при приведе­ нии, эту процедуру следует выполнять примени­ тельно к стандартным атмосферным условиям, со­ ответствующим выбранным реперным точкам. Приведение параметров к MCA выполняется по стандартным газодинамическим формулам приве­ дения к температуре и давлению, соответствующим MCA реперной точки данного типа. Полученные после выполнения процедуры приведения к MCA значения параметров в реперной точке одного типа относятся к близким, но вообще-то различным ре­ жимам, поэтому для обеспечения сопоставимости значений параметров необходимо выполнение про­ цедуры приведения к расчетному режиму.

Врамках создания этой процедуры необхо­ димо:

-выявить вид функциональной зависимости, достаточно точно описывающей изменение пара­ метра по режимному параметру;

-определить, как изменяется вид этой зависи­

мости от двигателя к двигателю;

-определить соответствие между реальной за­ висимостью и зависимостью, полученной с помо­ щью математической модели двигателя;

-определить характер изменения функциональ­ ной зависимости при увеличении наработки дви­ гателя (параллельное смещение или разворот);

-определить характер влияния величины отбо­ ров воздуха, положения элементов механизации компрессора и т.д.

Последовательное применение метода приведе­ ния значений параметров сначала к стандартным

Глава 3. Системы диагностики

атмосферным условиям, а затем к расчетному режи­ му, позволяет строить зависимости изменения па­ раметров от наработки. Графики этих зависимостей являются полезным инструментом для обеспечения наглядного визуального воспроизведения смещения параметров или долговременных тенденций.

При этом открываются возможности выполне­ ния диагностирования состояния проточной части путем анализа временных рядов. Наиболее про­ стым, но вместе с тем надежным методом анализа является определение базовых значений парамет­ ров по начальному периоду эксплуатации и пос­ ледующий контроль отклонений приведенных зна­ чений параметров от базовых.

3.6. Обеспечение диагностирования ГТД инструментальными методами

К настоящему времени определились наибо­ лее часто применяемые инструментальные мето­ ды диагностирования, широко использующие средства неразрушающего контроля: визуально­ оптические методы с применением эндоскопов, ультразвуковые методы (УЗК) и электромагнит­ ные методы, больше известные в эксплуатации как вихретоковые (ВТК), капиллярные, магнито­ порошковые и рентгеновские методы. В произ­ водстве ГТД успешно применяются все вышепе­ речисленные методы. В эксплуатации магнитопо­ рошковый и рентгеновский методы практически не применяются, а используются главным обра­ зом те методы, которые позволяют оперативно и без больших затрат определять техническое состояние наиболее нагруженных деталей авиационных ГТД, надежно проводить их диагностирование. Практи­ чески около 90% эксплуатационного объема диаг­ ностирования относится к визуально-оптическому осмотру с применением жестких и гибких эндоско­ пов, за ним следует применение ультразвукового и вихретокового методов. Причем, ультразвуковой метод, хотя и значительно сложнее при реализации в условиях эксплуатации, является более надежным при выявлении поверхностных и глубинных дефек­ тов в дисках и лопатках.

3.6.1. Виды неисправностей, выявляемых инструментальными методами

При использовании некоторых из упомянутых в данном разделе методов применяются специаль­ ные инструменты, не входящие в состав штатных средств неразрушающего контроля двигателя. Эти инструменты позволяют оценивать состояние де­ талей и узлов двигателя, как правило, на останов­ ленном (холодном) двигателе и связаны с введени­

ем чувствительных элементов во внутренние по­ лости двигателя.

Инструментальные методы диагностирования предназначены для выявления в элементах ГТД (ло­ патках, жаровых трубах, зубчатых колесах, кольцах, дисках, дефлекторах, кронштейнах, трубопроводах и других деталях) повреждений (дефектов) в виде деформаций, сколов, трещин, в том числе внутрен­ них, прогаров, следов эрозионного износа и корро­ зии, забоин, погнутостей. Практически все методы являются прямыми методами обнаружения, т.е. дают достоверную и окончательную информацию о наличии или отсутствии дефекта. Как правило, дефекты, обнаруживаемые инструментальными методами, не могут быть выявлены иначе.

Поскольку данные методы диагностики являют­ ся весьма трудоемкими, но во многом определяю­ щими надежность и безопасность эксплуатации ГТД, периодичность их применения может быть довольно высокой, например, через 50 часов. В не­ которых случаях для уменьшения эксплуатационных затрат они могут применяться как арбитражные, когда требуется лишь достоверное подтверждение факта наличия или отсутствия неисправности.

3.6.2. Методы и аппаратура инструментальной диагностики

К инструментальным методам относятся:

-визуально-оптический метод с применением эндоскопов;

-ультразвуковой метод;

-вихретоковый метод;

-капиллярный метод с применением портатив­ ных аэрозольных наборов;

-другие перспективные методы.

3.6.2.1. Оптический осмотр проточной части ГТД

Визуально-оптический метод позволяет выпол­ нять осмотр газовоздушного тракта и внутренних полостей двигателя, коробок приводов, межвального пространства, которые не доступны для обыч­ ного визуального осмотра и фотографирования. Для оптических осмотров применяются специаль­ ные приборы - эндоскопы.

Современные технические волоконные эндос­ копы состоят из следующих элементов:

-информационного и осветительного световодов, заключенных в жесткую или гибкую оболочку;

-рабочей части;

-оптических устройств (окуляра и объектива);

-системы управления дистальной (поворотной) частью;

-блока питания с мощным галогенным источ­ ником света.