СПОСОБ КОНТРОЛЯ РАСХОДА МАСЛА АВИАЦИОННОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD TO CONTROL OIL CONSUMPTION IN AIRCRAFT GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к методам контроля технического состояния замкнутой циркуляционной маслосистемы авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) по уровню масла в маслобаке.
В процессе эксплуатации ГТД возможны утечки масла из его маслосистемы, что может привести к полной потере масла и отказам трансмиссионных подшипников, коробки приводов, как следствие к поломке ГТД и его самовыключению.
М ВХ
M
M
М
М ВХ
Одним из основных диагностических признаков утечки масла из замкнутой циркуляционной маслосистемы ГТД, наряду с параметром давления масла на входе в ГТД Р, является расход масла ГТД q, определяемый по уровню масла в маслобаке ГТД Q. Преимуществом параметра q по сравнению с параметром Р является то, что повышенный расход масла более точно характеризует величину безвозвратных потерь масла в замкнутой циркуляционной маслосистеме ГТД.
M
Известен способ контроля расхода масла ГТД по уровню масла в маслобаке Q, определяемому с помощью локального уровнемера - мерной линейки, призматического индикатора или стеклянного уровнемера, расположенных в маслобаке.
Основными недостатками локальных способов контроля, которые характерны для первых поколений ГТД и остаются необходимыми при заправках маслом или предполетных проверках маслосистемы, являются:
M
M
- невозможность оперативного контроля уровня Q и расхода масла q в полете;
- нарушение герметичности маслосистемы при использовании мерной линейки, что при неправильном обслуживании маслобака может привести к инциденту;
- повышенная трудоемкость наземного обслуживания авиационного двигателя, требующая открывания капотов или специального лючка на мотогондоле двигателя;
М
- невозможность количественной оценки уровня масла Q при использовании призматического индикатора.
В качестве прототипа выбран известный способ контроля расхода масла авиационного турбовинтового ГТД типа ТВ7-117С для самолета Ил-114 [Л.И.Франкштейн. Опыт разработки и внедрения перспективных схем и устройств в масляную систему авиационных двигателей. - Журнал «Конверсия в машиностроении», №3, 2003 г.].
М
М
М
Измерение параметра Q в процессе эксплуатации двигателя осуществляют постоянно с помощью емкостного датчика, принцип действия которого основан на изменении электрической емкости в зависимости от диэлектрической проницаемости среды (уровня масла в маслобаке). При этом выходной сигнал с датчика уровня поступает в бортовую электронную систему диагностики двигателя с последующим выводом параметра Q на дисплей в кабине экипажа с одновременной индикацией предупредительных дискретных сигналов о минимальном предельно допустимом уровне масла (табло «Масла мало») и максимальном предельно допустимом уровне масла (табло «Масла много»). Информация об уровне масла Q из бортовой системы диагностики двигателя также поступает в цифровом виде в многоканальную систему регистрации параметров полета.
М
Для повышения полноты и достоверности оценки технического состояния масляной системы двигателя ТВ7-117С также предусмотрена диагностика параметров давления и температуры масла. При этом перед каждым запуском двигателя осуществляется наземный контроль уровня масла в маслобаке Q с помощью локального уровнемера (мерной линейки).
M
М
М
М
M
M
M
M
доп
доп
Как правило, после каждого полета самолета в авиационно-технических базах авиакомпаний анализируется вся полетная информация по самолету и двигателю, в т.ч. определяют расчетное значение часового расхода масла q каждого конкретного двигателя по формуле q=ΔQ/T (л/ч), где ΔQ - изменение уровня масла в маслобаке за полет, Т - время полета, и затем проводят сопоставление часового расхода q с предельно допустимым значением часового расхода масла q , которое обычно указывается в руководстве по эксплуатации двигателя или самолета либо в ином нормативном документе для данного типа двигателя. При превышении параметра q над предельно допустимым значением q  эксплуатацию двигателя прекращают и проводят поиск причин повышенного расхода масла.
К основному недостатку прототипа следует отнести то, что с помощью указанного способа крайне затруднительно выявление нештатных утечек масла (безвозвратных потерь) на самой ранней стадии их возникновения и обусловленных постепенным износом лабиринтных уплотнений опор двигателя или масляных уплотнений коробки приводов и размещенных на ней приводных агрегатов. Кроме того, возможный медленный характер развития отказа других элементов маслосистемы, например трубопроводных масляных коммуникаций, расположенных в труднодоступных местах для визуального осмотра, также осложняет выявление безвозвратных потерь.
M
M
доп
Отличительной особенностью проявления вышеупомянутых дефектов является то, что безвозвратные потери масла носят несущественный характер и в первоначальной стадии могут проявляться в виде капельной течи (0,01…0,03 л/ч и более). В подобных ситуациях параметр q может длительное время в течение 5…10 полетов и более не превышать значение q , оговоренное в эксплуатационно-нормативной документации.
M
M
M
Кроме того, определение текущего значения расхода масла q только на основе результатов измерений Q может привести к повышенной величине методической погрешности определения q из-за влияния температуры масла, сорта масла, других эксплуатационных факторов, например эволюции самолета или существенных изменений режима работы ГТД, на уровень масла в маслобаке.
M
M
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении качества контроля расхода масла q за счет своевременного выявления безвозвратных потерь масла на ранних стадиях их возникновения и повышении точности контроля путем снижения погрешности определения величины q.
M
M
M
M
M
М
M
M
M
доп
доп
пред
1пред
2пред
пред
пред
1пред
2пред
пред
пред
1пред
2пред
пред
Сущность технического решения заключается в том, что в способе контроля расхода масла авиационного газотурбинного двигателя, заключающемся в измерении уровня масла в маслобаке Q, определении часового расхода масла q, сравнении величины q двигателя после каждого полета с его предельно допустимым значением q , и в случае q>q  выявлении причины возникновения безвозвратных потерь масла в маслосистеме двигателя, согласно изобретению определение величин qосуществляют в крейсерском полете самолета и при установившемся режиме работы газотурбинного двигателя дополнительно измеряют высоту полета Н, параметр П, характеризующий режим работы газотурбинного двигателя, температуру масла t в маслосистеме, при этом формируют предельное значение высоты полета H, нижнее и верхнее предельные значения параметра П, характеризующие границу диапазона режимов работы двигателя в крейсерском полете П и П соответственно, а также максимальную амплитуду изменения параметра П на расчетном временном отрезке dT крейсерского полета dП, затем сравнивают измеренную высоту полета Н с H, также сравнивают значение П с П и П, изменение параметра П с dП, и если Н≥Н, а П≤П≤П, изменение параметра П≤dП, то величину q вычисляют на основе математической зависимости:
MH
где Q - количество масла в маслобаке в начале расчетного временного отрезка dT;
α - коэффициент термического расширения масла;
м вхн
t - температура масла на входе в двигатель в начале расчетного временного отрезка dT;
MK
Q - количество масла в маслобаке в конце расчетного временного отрезка dT;
м вхк
t - температура масла на входе в двигатель в конце расчетного временного отрезка dT;
M
dT - расчетный временной отрезок от первого измерения параметра Q до последнего;
M
м доп.1
м
M ср
м
M доп.2
M
M доп.1
M
M доп.2
M
M доп.1
M
M доп.2
M
также дополнительно формируют предельные значения q на начальном этапе эксплуатации двигателя q, для каждого следующего полета вычисляют величину q, затем определяют среднеарифметическую величину q и формируют предельно допустимое значение отклонения q на последнем этапе эксплуатации двигателя dq, сравнивают величины q с q и dq с dq и в случае, если q<q и dq<dq, продолжают эксплуатацию газотурбинного двигателя, в противном случае осуществляют поиск причин повышенного расхода масла q.
руд
В качестве параметра П предлагается использовать параметр, который наиболее точно характеризует режим работы ГТД, например положение рычага управления двигателем α или приведенная частота вращения любого из роторов ГТД.
М
M
Для повышения точности определения Q и, следовательно, повышения эффективности контроля состояния маслосистемы, расчет расхода масла q выполняют с помощью математической зависимости (автоматического вычислителя) по изменению количества масла в маслобаке на временном участке монотонного снижения уровня масла (крейсерском режиме полета) за расчетный временной отрезок dT. Такой подход позволяет своевременно выявлять безвозвратные потери масла на ранних стадиях их возникновения.
M
M
Кроме того, при расчете q учитывают температуру и коэффициент термического расширения масла, что позволяет снизить методическую погрешность определения q и повысить точность контроля.
Повышение качества контроля маслосистемы ГТД обеспечивают путем учета индивидуального уровня расхода масла каждого конкретного двигателя, определяемого по его значениям в первых полетах, а в последующих полетах оценивают изменение расхода масла относительно начала эксплуатации двигателя.
На фиг.1 представлена структурная схема контроля расхода масла газотурбинного двигателя, где:
1 - самолет;
2 - газотурбинный двигатель самолета;
3 - откачивающий насос маслосистемы ГТД;
4 - маслобак,
5 - нагнетающий насос маслосистемы ГТД;
6 - бортовая система контроля и диагностики двигателя. Представляет собой электронную цифровую систему, обеспечивающую измерение и (или) прием аналоговых параметров и дискретных сигналов от датчиков, сигнализаторов, систем ГТД, включая маслосистему, и самолета, обработку всей поступающей информации с целью контроля работоспособности ГТД в реальном масштабе времени, а также выдачу сигналов в многоканальную систему регистрации параметров и систему индикации в кабину экипажа;
7 - бортовой многоканальный накопитель типа МСРП (система регистрации параметров). Представляет собой типовое бортовое устройство записи параметров полета самолета, например высоты Н и скорости полета, параметры работы силовой установки, самолетного аэронавигационного и радиотехнического оборудования, определяющих параметры других наиболее важных технических устройств и систем самолета. Обычно частота регистрации параметров 1 Гц, т.е. один кадр опроса всех параметров за секунду;
М
8 - наземная система диагностической обработки параметров ГТД. Эта система включает дешифрирующее устройство и вычислительное устройство, являющееся сервер для хранения базы данных полетной информации и компьютер, обеспечивающий непосредственную автоматизированную обработку полетной информации, зарегистрированной на бортовой многоканальный накопитель 7. В наземной системе 8 выполняется автоматизированная обработка и анализ всей полетной информации, контроль технического состояния двигателя, при этом с помощью вычислительного модуля 9 осуществляют автоматическое определение часового расхода масла q и сопоставление с предельными значениями;
М
9 - вычислительный модуль контроля часового расхода масла q;
10 - датчик уровня масла в маслобаке (емкостной датчик типа ДМК-3);
М
11 - датчик температуры масла t (терморезистивный датчик типа П-109).
M
На фиг.2 представлен график зависимости расхода масла q в зависимости от наработки авиационного двигателя.
I - начальный этап эксплуатации (5-10 полетов или 50-100 часов);
M
м доп.2
II - период контроля расхода масла q по предельно допустимому отклонению dq;
III - период эксплуатации после развития дефекта.
При работе ГТД 2 в составе самолета 1 с помощью маслосистемы ГТД выполняется непрерывная принудительная смазка подшипниковых узлов и зубчатых передач маслом, отбираемым из маслобака 4 нагнетающим насосом 5. Из двигателя масло откачивается обратно в маслобак откачивающим насосом 3. Таким образом, происходит циркуляция масла в замкнутой маслосистеме. При штатной работе ГТД и его маслосистемы происходит нормированная утечка масла, что приводит в условиях крейсерского режима полета к постепенному снижению уровня масла в маслобаке.
M
M
руд
В процессе выполнения полета бортовая система 6 контроля и диагностики осуществляет измерение параметров и сигналов двигателя и их регистрацию на бортовой многоканальный накопитель 7. В число регистрируемых параметров входят уровень масла Q в маслобаке 5 двигателя, температура масла t на входе в двигатель, положение рычага управления двигателем α, абсолютная высота Н полета над уровнем моря.
По окончании каждого полета самолета 1 зарегистрированная информация с бортового накопителя 7 передается в наземную систему 8 в виде легкосъемных магнитных кассет, оптических дисков или иных типов носителей цифровой информации.
Алгоритм процесса контроля расхода масла следующий.
Расчетный временной отрезок dT идентифицируют на крейсерском режиме полета при соблюдении в течение одного часа полета следующих входных условий:
пред
1пред
2пред
mах
min
пpeд
H≥H; П≤П≤П; (П-П)≤dП.
пред
При этом численное значение высоты Н=8500 метров, что с определенным запасом соответствует стандартной высоте крейсерского полета самолета 9000…11000 метров и более, т.е. расчетной высоте полета для современных типов авиационных двухконтурных двигателей.
руд
руд
руд
руд
руд
руд
1пред
2пред
1пред
2пред
В качестве параметра П, согласно конкретной реализации способа, используют параметр α. Численные значения α , α  выбирают из условия, что при α ≤α≤α  режим работы ГТД обеспечивает крейсерский (горизонтальный) режим полета самолета.
M
руд
руд
руд
руд
min
max
пред
Для обеспечения стационарности параметров работы ГТД и, следовательно, исключения возможных штатных колебаний параметра Q минимальное α  и максимальное α  значения α на расчетном участке не должны отличаться более чем на dα .
Если входные условия не были выполнены, то поиск расчетного отрезка крейсерского режима полета продолжительностью 1 час продолжается путем смещения участка на один кадр (цикл регистрации) вперед и так далее, пока требуемый отрезок не будет найден.
пред
1пред
2пред
max
min
пред
руд
руд
руд
руд
руд
руд
После подтверждения входных условий при dT=1 час, т.е. Н≥Н, α ≤α≤α , α -α ≤dα  рассчитывают часовой расход масла по математической зависимости:
M
M
м доп.1
м доп.1
м доп.1
Полученное значение расхода масла q заносят в базу данных наземной системы диагностики обработки параметров 8 с результатами обработки полетной информации. После каждого полета величину q сравнивают с предельно допустимым значением q. Величину q определяют на основании результатов специальных стендовых испытаний маслосистемы в составе ГТД и летных испытаний ГТД. По мере расширения парка ГТД величину q также корректируют с учетом статистики эксплуатации парка ГТД.
м
м доп.1
м
Если q>q, то это указывает на неисправное состояние маслосистемы, например негерметичность масляных уплотнений коробки приводов, маслоагрегатов, маслобака или трубопроводных коммуникаций маслосистемы, неисправность лабиринтных уплотнений опор двигателя или дефект канала измерения Q.
M
м cp.
По сохраненным в базе данных системы 8 значениям расхода масла q в первых n полетах определяют среднеарифметическую величину q:
,
мi
м
где q - значение q в i-м полете;
n - число полетов на начальном этапе эксплуатации двигателя (n=5-10).
М
мcp
М
м
м доп.2
м доп.2
Для каждого последующего полета определяют разницу dq=q-q. Полученную разницу dq сравнивают с предельно допустимым значением dq. Величину dq также определяют на основе летных испытаний и статистики изменения параметров маслосистемы при эксплуатации всего парка ГТД.
м
м доп.2
Если dq>dq, то это также указывает на начальную стадию дефекта, приводящего к нарушению герметичности маслосистемы.
-4
-1
1пред
2пред
пред
руд
руд
руд
Применительно к условиям работы двухконтурного двухвального турбореактивного двигателя типа ПС-90А (тяга взлетного режима 16 тс, среднестатистический часовой расход масла 0,4…0,5 л/ч, коэффициент термического расширения авиационного масла типа ИПМ-10 α=7,88×10С; α =32 угловых градуса, α =50 угловых градусов, dα =5 угловых градусов) предельно допустимые величины параметров имеют следующие значения:
мдоп.1
q=1.0 л/ч;
м доп.2
dq=0.4 л/ч.
Заявленный способ был проверен летными испытаниями на самолетах Ил-96-300, Ил-76ТД-90, Ту-204, Ту-214 с двигателями ПС-90А. Испытаниями и расчетным моделированием при имитации различных отказов маслосистемы было установлено, что новый способ надежно и с заданной точностью обеспечивает раннее выявление безвозвратных потерь масла, обусловленных постепенным износом элементов маслосистемы ГТД.