Методика определения технического состояния авиадвигателей по анализу выбега роторов

2005 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА № 85

серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов

УДК 629.7.017

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АВИАДВИГАТЕЛЕЙ ПО АНАЛИЗУ ВЫБЕГА РОТОРОВ

О.Ф. МАШОШИН, Р.Л. СЕМЕНИХИН Статья представлена доктором технических наук, профессором Пивоваровым В.А.

Рассматриваются вопросы диагностирования состояний авиационных ГТД по выбегу роторов. Приводятся результаты оценки диагностического параметра «выбег роторов» ГТД НК - 86 на основе разработанной методики.

В статье [1] акцентировано внимание на совершенствование методик прогнозирования состояний ГТД на основе априорных данных. Одним из параметров, динамически изменяющегося по времени, является «выбег роторов», т.н. время самовращения двигателя после его выключения. По рассматриваемому параметру представляется возможным определить неисправности важных узлов двигателя, таких как подшипников роторов, лопаток турбины и компрессора, прогнозировать ранние стадии износа мест их крепления, попадание в двигатель посторонних предметов и др.

Часто возникают ситуации, свидетельствующие о недостаточной эффективности методик в области определения текущего состояния двигателя. Это проявляется в случае дефицита статистической информации, из-за чего возникает необходимость создания диагностических моделей, учитывающих значения выбега роторов, как обобщенного показателя технического состояния ГТД. При этом должна быть предусмотрена такая методика измерения параметров, которая обеспечивала бы возможность их последующего сравнения с нормами.

Разработана методика определения состояния двигателя по анализу выбегов роторов в зависимости от температуры газов за турбиной.

Замеры выбегов производятся в процессе каждого останова двигателя и могут выполняться в любом аэропорту после каждой посадки.

Для определения времени выбега роторов, а также температуры газа за турбиной использовалось штатное оборудование. При работе с приборами и оборудованием необходимо руководствоваться техническим описанием и инструкцией по эксплуатации.

В частности, на двигателе НК-86 для замера температуры газов за турбиной применялась термопара Т-96 (вариант 4) сдвоенного типа (хромель - алюминиевые сплавы) [2]. Чувствительность термопары по ГОСТ 3044-84 соответствует значению 0,1 град, погрешность измерений составляет 0,33%. Градуировочный график термопары соответствует ГОСТ 3044-77. Одна термопара выдает информацию о температуре газов в бортовую измерительную аппаратуру, другая - в регулятор температуры ЭСУД. Для компенсации термоэлектродвижущей силы холодного спая группы соединенных параллельно термопар Т-93 (вариант 4) предусмотрена переходная колодка ПК-9Б [3]. На двигателе устанавливались три колодки, через две из которых термопары подключались к двум указателям, размещенным на приборной панели пульта бортинженера, а через третью - к бортовой системе автоматической регистрации. Колодка ПК-9Б входит в состав измерительной аппаратуры 2ИА-7А (блок-реле).

Кроме того, в состав диагностического оборудования входит: штатная контрольно - измерительная аппаратура, аналоговый преобразователь (блок-реле), компьютер (рис.1).

Определение выбега роторов осуществлялось следующим образом. После останова двигателя, при падении частоты вращения ротора высокого давления до 1000 об/мин., включался блок-реле. Автоматически с термопар, расположенных за турбиной, начиная с этой частоты вращения, через каждые 5 секунд производились замеры температуры газа 1*т 0*6). Результаты

замеров поступали в компьютер, где записывались в файл программы Excel. По результатам замеров программой вычислялась разность температур АТ между соседними значениями, и строилась зависимость АТ*т = f (t) (где t- время). Результаты измерений заносились в журнал, и по полученным графикам определялось состояние исследуемого двигателя. Существенные отклонения параметров от эталонных значений свидетельствовали о наличии дефекта.

Рис. 1. Схема оборудования для анализа выбега роторов по замерам температуры газов за турбиной: 1- турбина двигателя НК-86; 2-термопара Т-96;

3-аналоговый преобразователь (блок-реле);4-компьютер

Измерения проводились во Внуковском авиаремонтном заводе «ВАРЗ-400» как для исправного двигателя, так и для двигателей, имевших отказы. Результаты исследований представлены на рис. 2-4.

Из физики остывания твердого тела известно, что изменение температуры по времени имеет вид гиперболы и, следовательно, изменение приращения температуры по времени тоже име-

ет вид гиперболы. В процессе вращения обоих роторов изменение приращений температуры происходит быстро (участок I, рис. 2), после останова ротора высокого давления горячий газ из ротора ВД перетекает в ротор НД (участок II, рис. 2), что продолжается до останова ротора низкого давления. После останова обоих роторов за турбиной ничто ни производит протяжку газа и следовательно, дальнейшее изменение приращения температуры по времени происходит медленно (участок IV, рис. 2).

*т;

4

й *

Ц л

I 3

К-

Л

Б 1

Л И

*

' ?! 5 х ВР^ Я й & 9 я х 5 Сек.

її ш

1x5 сек.

Рис. 2. Выбег роторов исправного двигателя

Участок I- выбег ротора высокого давления; участок II- перетекание горячего газа из турбины высокого давления в турбину низкого давления; участок III- выбег ротора низкого давления; участок IV- остывание.

АТ*

20

15

10

5

0

*

41

1 ПІТНІ II III ІІІІГІ Ш ІІІІИІIII п

х х 5 сек.

т

Рис. 3. Выбег роторов 1-го неисправного двигателя

АТ*

30

ъ

3D

15

10

5

0

я

1 111 1 1 111 1 1 - UD CD т J 4 — і/пі 11II111II II En й Я

1x5 сек.

Рис. 4. Выбег роторов 2-го неисправного двигателя

На рис. 3 на 45 секунде наблюдается скачок разностей температур, который характеризует такие неисправности, как касание деталей ротора о корпус ГТД, деформацию вала ротора. Также такое существенное изменение разностей температур может свидетельствовать о неисправностях опор двигателя, например, износ подшипников при масляном голодании. На рис. 4 скачок разностей температур наблюдается примерно на 75 секунде, то есть после останова ротора высокого давления. Здесь следует указывать на неисправности ротора низкого давления, к которым можно отнести: вытяжку лопаток компрессора, появление серьезных трещин на лопатках компрессора, приводящих впоследствии к их обрыву, износ мест крепления лопаток вентиляторных ступеней, износ лабиринтных уплотнений и др.

В заключение следует отметить, что проведение работ по изложенной выше методике должны быть регулярными. Их необходимо планировать с момента испытаний каждого нового образца ГТД в связи с тем, что каждый тип двигателя, даже одной серии, имеет свое время выбега. Необходимо также учитывать, что на новых двигателях в период приработки трущихся пар время выбега роторов бывает наименьшим.

ЛИТЕРАТУРА

1. Машошин О.Ф. Прогнозирование вибросостояний авиадвигателей с позиций классификационных задач. -М.: Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов, № 85, 2005.

2. ГОСТ 3044-84. Преобразователи термоэлектрические. Номинальные статические характеристики преобразования.

3. Фельдман Е.Л., Черкасов Л. А. Авиационный двухконтурный двигатель НК-86. М.: Машиностроение, 1982.

THE METHOD DEFINITION TECHNICAL CONDITION OF GAS TURBINE ENGINES BY

ANALYSIS “EXIT RUN” ROTORS

Mashoshin O.F., Semenihin R.L.

This article considers questions diagnostic definition of gas turbo-jet engines by analysis “exit run” rotors. Illustrations results Estimations quantity time “exit run” from gas temperature behind turbine engine NK-86 on basis work out method.

Сведения об авторах

Машошин Олег Фёдорович, 1966 г.р., окончил МИИГА (1989), кандидат технических наук, доцент кафедры технической эксплуатации летательных аппаратов и авиадвигателей МГТУ ГА, автор более 40 научных работ, область научных интересов - эксплуатация и диагностика авиационной техники.

Семенихин Роман Леонидович, 1979 г.р., окончил МГТУ ГА (2003), инженер-технолог МАРЗ, автор 2 научных работ, область научных интересов - техническая эксплуатация и ремонт авиационной техники, повышение эффективности ее использования.