СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD TO CONTROL GAS TURBINE ENGINE STATE

Изобретение относится к области авиации, электроэнергетики, газовой и нефтяной промышленности, а именно к способам определения технического состояния газотурбинных двигателей по параметрам металлических частиц износа и повреждения, обнаруженных в смазочном масле масляной системы.
Известен способ оценки технического состояния двигателей по величине содержания металлов в смазочном масле, включающий отбор пробы смазочного масла из маслосистемы двигателя, определение содержания элементов и сравнение их с соответствующими предельно допустимыми значениями, по которым определяют техническое состояние двигателя (Аттестат методики измерения содержания продуктов изнашивания на установках типа «МФС» при диагностировании авиадвигателей. Москва, ГОСНИИГА, 1993 г., стр.6).
Известен также способ контроля состояния газотурбинного двигателя, включающий периодическое измерение частиц железа в смазочном масле масляной системы в процессе работы двигателя, определение порогового значения содержания железа для нормального и повышенного износа, определение порогового значения содержания железа в пределах Сж=1,8-2 г/т, и при наличии дальнейшего роста содержания железа при нормальном износе и увеличении вибрации прогнозирование предотказного состояния и установление времени наработки двигателя до этого состояния, равного 300…400 часов (патент РФ №2164344 G01M 15/00, 2001 г.).
Недостатками известных способов является то, что анализируются не все частицы износа, попадающие в смазочное масло, а только те, которые профильтровываются через фильтроэлементы. Спектрометры, используемые при определении концентраций металлов в масле, способны учитывать частицы не более определенного размера, например: атомно-эмиссионные от 1 до 10 мкм, рентгеноспектральные от 5 до 30 мкм. Отборы проб масла или выполнение смывов с фильтров, возможно, выполнить при техобслуживании двигателей с периодичностью, диктуемой условиями эксплуатации и приемлемой трудоемкостью технического обслуживания. Оценивается состояние двигателя в целом, без возможности определения повреждаемого узла.
Для предотвращения повреждения рабочих поверхностей подшипников посторонними частицами в смазывающем масле двигатели оснащаются фильтрами, обеспечивающими все большую степень фильтрации. Однако установка эффективных фильтроэлементов резко снижает информативность традиционных способов контроля состояния двигателей, основанных на отборе проб масла из маслосистемы и анализе продуктов износа, так как основная часть информативных частиц оседает на фильтроэлементах. В ряде фильтров фильтроэлементы являются одноразовыми и промывке не подлежат, например фильтроэлементы с волокнистым наполнителем «ULTIPOR» фирмы «Pall Corporation», устанавливаемые на многие авиационные и наземные газотурбинные двигатели, что не позволяет использовать для диагностики смывки с фильтров.
Методы с использованием спектрального анализа эффективны в случае истирания контактируемых поверхностей. Если происходит усталостное выкрашивание или истирание с выкрашиванием с выделением крупных частиц, которые «не видят» спектрометры, возможны ошибки в оценке состояния двигателя.
Наиболее близким к заявляемому является способ оценки технического состояния двигателей, машин и механизмов, включающий определение содержания элементов, находящихся в пробе смыва с масляного фильтра отдельно в виде металлических частиц и в виде раствора. Помимо определения параметра концентрации металлов в пробе масла в граммах на тонну предусматривается определение среднего размера, количества и состава простых и сложных частиц в масле и в смыве с фильтров, (патент RU №2285907).
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что интерпретация наличия в масле мелких частиц, свидетельствующих о начальных этапах процесса повреждения трущихся поверхностей, требует применения статистических моделей исправного и неисправного двигателя по результатам трибодиагностики, использование рейтингов износных частиц, которые, тем не менее, не позволяют уверенно оценивать состояние двигателей. Предположение о марке материала продуктов износа основано на косвенных признаках наличия или отсутствия сложных частиц износа типа: Cr-Ni-Fe-W-V-Cu-Ag и т.д.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в обеспечении безопасности полетов и в снижении трудоемкости технического обслуживания путем своевременного выявления повреждения трущихся деталей и исключения необоснованного съема исправных двигателей и пропуска неисправности.
Сущность технического решения заключается в том, что в способе контроля состояния газотурбинного двигателя, заключающемся в периодическом измерении частиц металла с использованием спектрального анализа в профильтрованном в процессе работы двигателя смазочном масле масляной системы, согласно изобретению фильтрацию смазочного масла в маслосистеме производят с тонкостью фильтрации 10-15 мкм, при этом система диагностики делится на диагностику по частицам размером меньше тонкости фильтрации масляных фильтров («фильтрующихся») и диагностику по частицам размером больше тонкости фильтрации («нефильтрующихся»), при этом при диагностике по «фильтрующимся» частицам определяют характер процесса повреждения трущихся поверхностей с использованием феррографического и (или) сцинтилляционного анализа и принимают решение о возможности эксплуатации двигателя под контролем до появления нефильтрующихся частиц, а при диагностике по «нефильтрующимся» частицам, выявленным на сигнализаторах или на смывах с фильтров, производят их классификацию по внешнему виду и размерам, определяют марку материала стали (сплава) с использованием рентгеновских спектрометров и после проведения поисковых работ принимают решение о допуске к эксплуатации или съему двигателя. При диагностике по «нефильтрующимся» частицам в качестве контрольных элементов используют сигнализаторы «стружки», установленные в магистралях откачки масла от опор и агрегатов в количестве, достаточном для определения мест износа, при этом сигналы с контрольных элементов поступают на многоканальную систему регистрации параметров полета и выводятся на автоматическое цифровое печатающее устройство, расшифровку записей с которого производят после каждого возвращения самолета в базовый порт, по результатам которой при наличии отметки о «стружке» производят внеплановый осмотр всех контрольных элементов. При большом количестве и размерах частиц, опасных для работоспособности двигателя, срабатывает фильтр-сигнализатор, установленный на выходе из масляной системы, сигнал от которого поступает в кабину экипажа самолета. По месту установки на двигателе сигнализатора, на котором обнаружены частицы износа, по марке стали (сплава), по характеру частиц определяют место повреждения с локализацией до модуля, агрегата, детали.
Диагностика по частицам размером меньше тонкости фильтрации (10-15 мкм) масляных фильтров («фильтрующихся») позволяет выявить износ истиранием повреждаемых поверхностей и начало зарождения повреждения с задиром, микрорезанием, усталостным выкрашиванием и продолжить эксплуатацию с постановкой двигателя на контроль.
Диагностика по частицам размером больше тонкости фильтрации (10-15 мкм) масляных фильтров («нефильтрующихся») позволяет выявить процессы усталостного выкрашивания и задира на стадиях, опасных для работоспособности двигателя, и дает возможность своевременно отстранить двигатель от эксплуатации.
На чертеже изображена схема контроля состояния газотурбинного двигателя по параметрам металлических частиц износа и повреждения в маслосистеме.
Предлагаемый способ контроля состояния газотурбинного двигателя заключается в диагностике двигателя по всему спектру частиц, находящихся в маслосистеме, в том числе в диагностике по частицам меньше тонкости фильтрации (10-15 мкм) масляного фильтра («фильтрующимся») (1) и в диагностике двигателя по частицам размером больше тонкости фильтрации (10-15 мкм) масляного фильтра («нефильтрующимся») (2).
Диагностика двигателя по «фильтрующимся» (1) частицам износа предусматривает периодическое измерение профильтрованной части частиц изнашивания в пробах смазочного масла (3) с использованием спектрального (4), сцинтилляционного (5) и феррографического (6) анализа и позволяет определить характер начавшегося процесса повреждения трущихся поверхностей.
Феррографическим (6) анализом определяют количество частиц износа, их размеры, индексы и рейтинги износа. По внешнему виду и размерам с использованием специальных «Атласов частиц износа» для конкретного двигателя определяется характер износа: нормальный износ (7), или усиленный износ (8), или интенсивный износ (9).
При нормальном износе (7) оценка технического состояния двигателя производится по концентрации железа, меди и других нормируемых элементов и сравнение с повышенной или с предельно допустимой концентрацией. Если индекс износа и рейтинг соответствующих частиц достигнут уровня, свидетельствующего об усиленном (8) или интенсивном (9) износе, двигатель допускается к продолжению эксплуатации под контролем до появления «стружки» на контрольных элементах маслосистемы, при этом производится внеплановый осмотр контрольных элементов (10).
При диагностике по «фильтрующимся» частицам с использованием сцинтилляционного анализа (5) при сочетании простых и сложных частиц, соответствующих статистической модели исправного двигателя (11), допускается эксплуатация без ограничений. При наличии сложных частиц, свидетельствующих об износе беговых дорожек и сепараторов подшипников, а также при общем количестве частиц, превышающем количество для исправного двигателя (12), двигатель должен быть поставлен на контроль с осмотром контрольных элементов маслосистемы (10).
Спектральным анализом (4) определяют концентрацию контролируемых металлов (железа, меди, серебра и т.д.) в граммах на тонну и производят сравнение ее с нормируемыми величинами. При нормальной концентрации (НК) (13) двигатель эксплуатируется без ограничений. При повышенной концентрации (14) металла (ПК) производят внеплановый осмотр контрольных элементов (10) и допускают к эксплуатации на контроле. При предельно допустимой концентрации (ПДК) (15) двигатель может быть отстранен от эксплуатации (16).
Окончательное решение о необходимости отстранения двигателя от эксплуатации принимается по наличию в маслосистеме частиц «стружки», т.е. по «нефильтрующимся» частицам (2).
Для улавливания «нефильтрующихся» частиц на двигателе в основных магистралях откачки масла от опор и коробок в качестве контрольных элементов установлены магнитные сигнализаторы «стружки», а в общей магистрали отвода масла в бак установлен фильтр-сигнализатор.
При срабатывании сигнализации о наличии стружки (17) производится внеплановый осмотр контрольных элементов (10).
Периодичность осмотра контрольных элементов (10) устанавливается регламентом технического обслуживания или эксплуатационными бюллетенями (18). При обнаружении «стружки» производится определение (19) характера стружки: по внешнему виду (20), размеры (21), количество (22), марку стали (сплава) (23), места обнаружения (24). По внешнему виду: в виде магнитной пыли, в виде металлических чешуйчатых частиц, игольчатых частиц, в виде металлических кусочков, обломков, волосовидных частиц.
Для определения марки материала применяются серийные рентгеновские спектрометры, которые предусмотрены для определения концентрации металлов в масле.
С учетом места установки сигнализатора, на котором обнаружена стружка, по марке стали (сплава), по характеру стружки с использованием атласов конструкции опор и зубчатых механизмов и ведомости материалов деталей, омываемых маслом, определяется место повреждения с локализацией до модуля, агрегата, детали, что позволяет, при необходимости, выполнить ремонт непосредственно в эксплуатирующей организации.
Определение узла источника стружки и оценка состояния двигателя по методике (25) позволяет допустить двигатель к продолжению эксплуатации (26) или уточнить состояние двигателя (27) и допустить к эксплуатации на контроле (28), и если при эксплуатации на контроле стружка есть (29), то двигатель отстраняется от эксплуатации (16), если же стружки нет (29), то двигатель допустить к продолжению эксплуатации (26).
Осмотры контрольных элементов маслосистемы выполняются на формах Регламента технического обслуживания самолета. Для обеспечения безопасности полетов, снижения трудоемкости технического обслуживания и своевременного выявления повреждения трущихся деталей сигнализаторы стружки, установленные в магистралях откачки масла от опор, настроены на срабатывание, обеспечивающее работоспособность двигателя до возвращения в базовый порт. Сигнал от контрольных элементов записывается многоканальной системой регистрации параметров полета и выводится на автоматическое цифровое печатающее устройство, анализ записей которого производится обслуживающим персоналом в базовом порту после каждого возвращения самолета, по результатам которого при наличии отметки о стружке на одном из сигнализаторов производится внеплановый осмотр всех контрольных элементов, что обеспечивает своевременное выявление признаков повреждения трущихся деталей по сравнению с осмотром контрольных элементов и отбором проб масла с фиксированной периодичностью.
Перед масляным фильтром установлен фильтр-сигнализатор, срабатывающий при большем количестве и размерах частиц по сравнению со срабатыванием контрольных элементов в откачивающих масляных магистралях, сигнал от которого о предотказном состоянии двигателя выведен в кабину экипажа самолета (на пульт управления газотурбинной установки).