Стенд для испытания контрольных элементов, систем непрерывного контроля частиц изнашивания и фильтроэлементов системы смазки газотурбинных двигателей, работающих в масловоздушной смеси и масле
TEST BENCH FOR CONTROL ELEMENTS, SYSTEMS FOR CONTINUOUS MONITORING OF WEAR PARTICLES AND FILTER ELEMENTS OF THE LUBRICATION SYSTEM OF GAS TURBINE ENGINES OPERATING IN OIL-AIR MIXTURE AND OIL

Изобретение относится к области испытательной техники, а именно к стендам имитации масляного контура системы смазки газотурбинного двигателя (ГТД), испытания агрегатов систем смазки и их составляющих, и может быть использовано для проведения испытаний устройств оперативного бортового контроля технического состояния работающего ГТД на наличие металлических частиц износа трущихся поверхностей в потоке масла и масловоздушной смеси системы смазки двигателя, проведения сравнительных испытаний устройств оперативного бортового контроля и систем с варьированием величины прокачки и температуры рабочей среды.
В системах смазки ГТД масло и масловоздушная смесь контактирует с вращающимися и неподвижными деталями, относящимися к узлам подшипниковых опор, зубчатых передач, шлицевых соединений, масловоздушных уплотнений и т.д. В результате приработки или износа деталей, омываемых маслом или масловоздушной смесью, в масляном контуре работающего двигателя образуются магнитные и немагнитные металлические частицы изнашивания. Воздушно-масляная смесь из опор роторов поступает в тракт суфлирования, а в тракт откачки, содержащей насос, фильтр, трубопроводы и другие агрегаты, поступает масловоздушная (жидкогазовая) смесь, в которой взвешены пузырьки воздуха и частицы изнашивания от пар трения.
Обнаружение, определение параметров стружки и сбор стружки в масле для дальнейшего лабораторного анализа и оценки технического состояния маслосистемы ГТД происходит посредством использования датчиков и иных устройств.
Для определения эффективности работы устройств оперативного бортового контроля по обнаружению различных видов частиц изнашивания трущихся поверхностей в потоке рабочей жидкости системы смазки ГТД, получения двухфазной смеси рабочей жидкости и при работе на ней можно использовать добавление воздуха в замкнутом контуре с введением магнитных и немагнитных металлических частиц при проведении испытаний, то позволяет решать задачу обеспечения испытаний устройств оперативного бортового контроля при работе в жидкогазовой смеси с требуемым объемным газосодержанием, в которой находится металлическая стружка и пузырьки воздуха взвешены в жидкости.
Известен стенд для испытания агрегатов систем смазки на масловоздушной смеси (патент RU 2653867, МПК G01M 15/14, опубл. 15.05.2018), включающий корпус с замкнутым рабочим контуром, содержащий циркуляционный насос, смеситель, выполненный в виде бака, с подводом в него масла и воздуха, и узел испытуемого контрольного элемента (КЭ), соединенные между собой при помощи магистрали, магистраль выполнена с возможностью установки расходомера и датчика перепада давления.
Недостатком данного стенда является невозможность контроля частиц изнашивания, отсутствие автоматизации процесса управления стендом, отсутствие контроля параметров используемой для исследования стружки системой непрерывного контроля, невозможность проводить испытания в условиях, приближенных к условиям маслосистем ГТД, отсутствие контролирующих систем наблюдения за потоком масла, невозможность выявления единичных частиц стружки в потоке масла, а также невозможность имитации развивающегося дефекта узла трения.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения и не может быть реализовано при использовании прототипа, является невозможность проведения исследовательских и инженерных испытаний по моделированию условий работы узла КЭ, сопоставимых с натурными условиями эксплуатации в составе ГТД и невозможность воссоздания процесса износа с появлением частиц метала при различных температурах и агрегатных состояниях рабочей среды, а также невозможность определения эффективности, соответствия заявленным характеристикам любого типа бортовых систем контроля технического состояния пар трения и фильтрации.
Технической задачей заявляемого изобретения является создание универсального стенда для испытания КЭ с условиями, приближенными к натуральным, с возможностью воссоздания процесса износа с появлением частиц метала при различных температурах и агрегатных состояниях рабочей среды, а также возможность определения эффективности, соответствия заявленным характеристикам, любого типа бортовых систем контроля технического состояния пар трения и фильтрации.
Универсальность установки позволяет проводить испытания и исследования функционала любого вида системы непрерывного контроля частиц изнашивания (СНКЧИ), КЭ, фильтрующих элементов для ГТД, как авиационного, так и наземного применения.
Поставленная задача достигается за счёт того, что на стенде для испытания КЭ, СНКЧИ и фильтроэлементов системы смазки ГТД на масловоздушной смеси и масле, включающем корпус с замкнутым рабочим контуром, содержащем циркулирующий насос, смеситель, выполненный в виде бака, с подводом в него масла и воздуха, и узел испытуемого КЭ, соединенные между собой при помощи магистрали, магистраль выполнена с возможностью установки расходомера и датчика перепада давления, согласно изобретению, дополнительно внедрен программно-аппаратный блок управления стендом, дополнительно организована СНКЧИ, включающая блок обработки информации, не менее одного датчика непрерывного контроля, провода и управляющую программу, дополнительно на раме корпуса расположено не менее одного трехходового крана с электроприводом, датчика преобразования давления, автоматизированного устройства подачи стружки (частиц изнашивания) с кассетой, не менее одного блока с встроенным фильтроэлементом и датчиком перепада давления, магистраль выполнена с встроенным фильтром сигнализатором и оснащена выпуском с возможностью установки в него не менее одной термопары, дополнительно между магистралями расположено не менее одного трубопровода со смотровым окном и трубопровода с фильтром закачки масла, дополнительно в корпус смесителя установлены термопары и датчик определения объема масла в баке.
В предлагаемом изобретение в отличие от прототипа внедрение программно-аппаратного блока управления стендом позволяет управлять исполнительными механизмами в автоматическом режиме, контролировать измеряемые параметры, блокировать их управление.
Программно-аппаратный блок выполнен в виде системы автоматического управления на базе программируемого логического контроллера (ПЛК), например, Omron. Использование ГОЖ позволяет оценивать работу установки по различным входным параметрам. Для управления исполнительными механизмами установки и контроля измеряемых параметров применен пользовательский интерфейс управляющей программы, например, АС «ПАРУС», включающий в себя мнемосхему управления исполнительными механизмами. На мнемосхеме визуализирован весь процесс работы стенда. Представлены сигналы с термопар, датчика расхода масла, давления масла и величины перепада давления в фильтрах основной и дополнительной систем очистки масла, уровня масла в маслобаке и интенсивности его нагрева, визуализирован процесс работы узла подачи стружки, насоса и двигателя.
Внедренная СНКЧИ, включающая блок обработки информации, не менее одного датчика непрерывного контроля, соединяющие их помехозащищённые провода и управляющую программу, позволяет с высокой точностью контролировать количество приходящей и исходящей стружки от испытуемого узла, фиксировать параметры стружки (массу, количество, ферромагнитность материала, скорость потока рабочей жидкости).
В блоке обработки информации производится обработка измерительной информации формирования диагностических характеристик и определяется, соответственно, факт наличия частиц изнашивания в системе смазки и характеристики частиц (магнитные свойства частиц, их размеры и интенсивность появления).
Датчик непрерывного контроля содержащий два кластера вихретоковых датчиков частиц металла с чувствительными элементами в виде одиночного витка.
Управляющая программ позволяет проводить мониторинг фиксируемых частиц, анализ по их параметрам, чтение обработанной информации, графическое отображение отображения. Программа обладает возможностью самотестирования оборудования, выполняет архивирование и программируемое периодическое сохранение информации для дальнейшего использования, в том числе исходных сигналов для обнаруженных частиц металла.
Вся информация отображается в управляющей программе СНКЧИ. Использование данной системы позволяет оценивать эффективность работы испытуемого узла и чистоту рабочей жидкости.
Выполнение на раме корпуса не менее одного трехходового крана с электроприводом позволяет управлять потоком рабочей жидкости, направлять поток в испытуемый узел (КЭ, СНКЧИ или фильтр), увеличивать или уменьшать объём проходящей жидкости через испытуемый узел, создавать условия для образования масловоздушной смеси с задаваемым контролируемым содержанием масла и воздуха, имитировать работу маслосистемы ГТД.
Блок с встроенным фильтроэлементом предназначен для улавливания стружки (частиц изнашивания), исходящей от насоса и частиц, подаваемых в систему при испытаниях. Фильтроэлемент содержит корпус с неочищаемой вставкой.
Датчик преобразователя давления, например, марки АИР-10-М1-ДИ-1150-М20, позволяет контролировать значение давления в трубопроводах стенда, тем самым формируя информацию об условиях работы маслосистемы стенда и их приближенности к условиям работы маслосистемы ГТД.
Устройство подачи стружки (частиц изнашивания) с кассетой, позволяет автоматизировано задавать и контролировать параметры подаваемой стружки (количество, тип стружки).
С помощью датчика перепада давления, например, марки ДД-2ПТ, выполнен в виде тензоприобразователя, основанного на использовании функциональной зависимости электрического сопротивления
полупроводниковых резисторов, при помощи которого измеряют перепад (разность) давления внутри корпуса фильтроэлемента с выдачей электрического сигнала, пропорционального измеряемому перепаду давления, отслеживают степень загрязнения фильтров и контролируемых узлов, оценивают эффективность улавливания фильтроэлементом частиц изнашивания различного вида, определяют время работы системы фильтрации до полного засорения частицами изнашивания.
Магистраль выполнена с встроенным фильтром-сигнализатором, позволяющим производить контроль эффективности испытуемого узла, обеспечить и уловить загружаемую стружку через устройство подачи стружки для последующего ее исследования.
Фильтр-сигнализатор состоит из корпуса с фиксирующей крышкой, вставки - фильтра сигнализатора, уплотнительного кольца. Вставка фильтра-сигнализатора состоит из фильтрующей и сигнализирующей частей.
Фильтрующая часть состоит из сетки с размером ячейки не менее 30 мкм припаянной к корпусу вставки фильтра-сигнализатора, сигнализирующая часть состоит из стойки-контакта, блока колец, стойки, замка, пружины.
Фильтр-сигнализатор предназначен для обнаружения частиц изнашивания, поступивших в маслосистему стенда, а также для очистки рабочей жидкости (масла), поступающего к маслонасосу и включен в электрическую цепь стенда. После срабатывания чувствительного реле фильтр-сигнализатор сигнализирует о нахождении в его межсекционных зазорах частиц изнашивания.
Трубопровод с выпуском в магистрали упрощает процесс установки в него не менее одной термопары, компенсируя длину термопары.
Дополнительно между магистралями расположено не менее одного трубопровода со смотровым окном, который позволяет визуально контролировать поток, наличие в трубопроводе воздушной пробки и характер течения рабочей жидкости при проведении экспериментальных работ.
А гибкий трубопровод с фильтром заправки масла обеспечивает фильтрацию закачиваемой рабочей жидкости в маслобак стенда, отфильтровывая частицы загрязнения, которые могли попасть в масло из атмосферы или при вскрытии емкости с маслом.
Нагрев масла производится при включенном насосе для прокачки и перемешивания масла, при этом скорость прокачки масла равна 30…35 л/мин. Контроль температуры по всему объёму осуществляется через 5 термопар в маслобаке, расположенных по всей его длине, и 1 термопару в трубопроводе, находящемся после насоса. Это позволяет контролировать интенсивность нагрева и задавать требуемую температуру для каждого типа используемого масла.
Установка датчика определения объема масла в баке, например, радарного микроволнового уровнемера марки VEGAFLEX для бесконтактного измерения уровня масла в баке, позволяет контролировать заполняемость при замене масла.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема размещения элементов стенда и его систем.
На фиг. 2 изображен внешний вид стенда.
Стенд для испытания контрольных элементов, например, магнитных пробок, магнитных сигнализаторов стружки, фильтров-сигнализаторов, систем непрерывного контроля частиц изнашивания и фильтроэлементов системы смазки газотурбинного двигателя на масловоздушной смеси и масле, включающий корпус 1 с замкнутым рабочим контуром 2, содержащий смеситель 3, выполненный в виде бака, с подводом в него масла 4 и воздуха 5, и узел с испытуемым контрольным элементом или датчик испытуемой СНКЧИ 6, соединенные между собой при помощи магистрали 7, магистраль выполнена с возможностью установки расходомера 8, циркулирующего насоса 9 и датчика 10 перепада давления, дополнительно внедрен программно-аппаратный блок управления стендом 11, дополнительно организована система непрерывного контроля частиц изнашивания, включающая блок обработки информации 12, не менее одного датчика непрерывного контроля 13, соединяющие их помехозащищенные провода 14 и управляющую программу 15, датчик непрерывного контроля 13 фиксирует частицы изнашивания и определяет их параметры, через провода передает в управляющую программу 15, которая при помощи алгоритмов расчета выполняет сбор, обработку, анализ полученной информации и отображает в пользовательском интерфейсе.
Дополнительно на раме корпуса 1 расположено не менее одного трехходового крана 16 с электроприводом 17, не менее одного датчика преобразователя давления 18, не менее одного автоматизированного устройства подачи стружки 19 (частиц изнашивания) с кассетой 20, не менее одного блока с встроенным фильтроэлементом 21 и датчиком перепада давления 22, магистраль 7 выполнена с встроенным фильтром-сигнализатором 23 и оснащена трубопроводом с выпуском 24 с возможностью установки в него не менее одной термопары, дополнительно между магистралями 7 расположено не менее одного трубопровода 25 со смотровым окном 26 и трубопровода 27 с фильтром заправки масла 28, дополнительно в корпус смесителя 3 установлены термопары 29 и датчик 30 определения объема масла в баке, магистраль 7 оснащена баком-маслоуловителем 31с регулировочным шаровым краном 32, воздушным фильтром 33 с электроприводным краном подачи воздуха 34 в магистраль 7, шаровыми штуцерными кранами 35, запорными электроприводными кранами 36, гидравлическими разъемами 37, предохранительным клапаном 38 и встроенными в магистраль 7 гидравлическим фильтром дополнительной очистки масла 39.
Стенд работает следующим образом
Устанавливают испытуемый контрольный элемент или датчик испытуемой СНКЧИ 6. Формируют протокол испытаний. Задают в управляющей программе 15, например, АС «ПАРУС» параметры испытаний согласно протоколу. Проводят визуальный осмотр установки на наличие посторонних предметов, масляных потеков, ослабления креплений трубопроводов и т.п. Подготавливают кассеты 20 для устройства подачи стружки 19. Проверяют чистоту устройства подачи стружки 19, промывают при необходимости. Проверяют наличие и уровень масла в маслобаке 3. При необходимости пополняют (количество масла V= 39…40 л.). Проверяют наличие фильтра-сигнализатора 23 в месте установки. При необходимости промывают и продувают сжатым воздухом.
Подключают программно-аппаратный блок 11 и персональный компьютер с установленными на нем управляющими программами, например, «MetalScan Monitor» для отображения, обработки и анализа полученной информации от датчика непрерывного контроля, и АС «ПАРУС» для визуализации измеряемых параметров стенда. Производят проверку работоспособности автоматизированной системы установки, блока обработки информации 12, например, системой MetalScan.
Подготавливают стружку для испытаний, используют специально подготовленную ферромагнитную стальную стружку, используют материал стружки, например, марки 12ХН3А, или неферромагнитную стружку с основой из меди.
Основные характеристики используемой стружки представлены в таблице № 1.
Заправляют кассету 20 стружкой, устанавливают в устройство подачи стружки 19, устанавливают в фильтр-сигнализатор 23 чистую вставку. Подготавливают масло для испытаний, при необходимости нагревают. Нагрев масла в маслобаке 3 проводят ступенчато, через каждые 10…15°С включают прокачку масла (частота вращения двигателя насоса 140…180 об/мин) для равномерного прогрева.
Открывают трёхходовой кран 16 и начинают прокачку масла в течение заданного времени до выдачи сигнала с фильтра-сигнализатора 23. В случае отсутствия сигнала в течение 3 минут добавляют порцию стружки до появления сигнала. Увеличение и уменьшение расхода масла регулируется при помощи изменения частоты вращения двигателя циркулирующего насоса 9. Изменение частоты вращения циркулирующего насоса 9 осуществляется через кнопку «ВВОД» на мнемосхеме АС «ПАРУС» в диапазоне от 0 до 50 (Гц). Кнопками «Включить» и «Выключить» мгновенный пуск и останов насоса соответственно. Управление циркулирующим насосом 9, электронагревателем масла, кранами устройства подачи стружки 19 осуществляется при помощи управляющей программы 15, например, АС «ПАРУС».
Работы на стенде ведутся в нескольких направлениях:
1) испытаний КЭ, ФЭ и СНКЧИ ГТД в условиях, максимально приближенных к условиям работы в двигателе;
2) исследовательских и инженерных испытаний по моделированию условий работы КЭ систем смазки в зависимости от величины прокачки, температуры рабочей среды и агрегатного состояния рабочей среды (масло, масловоздушная смесь);
3) испытаний КЭ, СНКЧИ и ФЭ систем смазки на различных современных и перспективных марках авиационных масел;
4) оценки эффективности работы систем контроля частиц изнашивания;
5) оценки эффективности улавливания частиц изнашивания различного вида и размера КЭ и ФЭ;
6) отработки и доводки отечественных СНКЧИ;
7) оценки эффективности работы ФЭ с различными типами частиц изнашивания;
8) оценки эффективности работы ФЭ с диагностическим слоем;
9) определения влияния типа рабочего масла, его температуры и характера течения на возможность эффективно улавливать и распознавать частиц износа КЭ и СНКЧИ.
Стенд для испытания контрольных элементов, систем непрерывного контроля частиц изнашивания и фильтроэлементов системы смазки газотурбинного двигателя прошел экспериментальные испытания в опытном производстве предприятия и в настоящее время активно эксплуатируется.
Таким образом, предлагаемое изобретение с вышеуказанными отличительными признаками в совокупности с известными признаками, позволяет создать универсальный стенд для испытания КЭ с приближенными условиями к натуральным, с возможностью воссоздания процесса износа с появлением частиц метала при различных температурах и агрегатных состояниях рабочей среды, а также возможность определения эффективности, соответствия заявленным характеристикам, любого типа бортовых систем контроля технического состояния пар трения и фильтрации.