Оценка вибросостояния авиационных газотурбинных двигателей с использованием лазерного вибродатчика

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность, поддержание летной годности ВС

УДК 629.7.071

ОЦЕНКА ВИБРОСОСТОЯНИЯ АВИАЦИОННЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАЗЕРНОГО ВИБРОДАТЧИКА

А.В. ОЗЕРОВ

Статья представлена доктором технических наук, профессором Ушаковым А.П.

В статье представлены результаты экспериментальных данных по диагностике вибросостояния авиационных газотурбинных двигателей с использованием лазерного вибродатчика в качестве источника сигнала вибрации

Современные авиационные газотурбинные двигатели (ГТД) являются очень сложными техническими сооружениями. Они сочетают в себе последние достижения науки и техники. Конструкторы при проектировании ГТД закладывают в их конструкцию высокие требования по обеспечению надёжности, долговечности и экономичности.

Наряду с конструктивными путями решения поставленных задач, внедряемыми в прорабатываемую схему двигателя, также большое значение имеет разработка стратегии технического обслуживания (ТО). В настоящее время наметилась тенденция перехода от ТО по установленному ресурсу к ТО по фактическому состоянию. Данный переход в первую очередь обусловлен экономическими причинами.

Условия, в которых эксплуатируются те или иные двигатели сильно отличаются. Это приводит к разнице в скорости деградационных процессов внутри двигателей одного типа, но эксплуатируемых разными предприятиями. При выработке значений назначенного и межремонтного ресурсов конструкторы вынуждены из соображений безопасности брать в расчёт наибольшие величины скорости изнашивания и, следовательно, назначать наименьшие ресурсы из группы двигателей. Это приводит к тому, что двигатели, эксплуатируемые в нормальных условиях (климат, аэродромное обеспечение, качество ТО) фактически не вырабатывают свой физический ресурс: не полностью используются возможности дорогостоящих материалов и технологии. Как следствие, предприятия-эксплуатанты двигателей несут большие финансовые потери от недоиспользования физических возможностей двигателей, что в условиях современной жёсткой конкурентной борьбы за прибыль является большой проблемой.

В данных условиях очень заманчивой выглядит стратегия ТО по фактическому состоянию, т. к. уже в её основе заложен принцип минимизации расходов на ТО путём полной выработки двигателем своего физического ресурса. Эта система в значительной степени внедрена на Западе и является одним из ключевых слагаемых успеха в завоевании рынка авиаперевозок.

Данная система ТО при всех своих достоинствах имеет одно слабое место, без ликвидации которого в нашей стране невозможно построение самой системы: наличие точных методов технической диагностики (ТД). Это связано с проблемой достоверного определения показателей технического состояния ГТД, являющегося жизненно важным агрегатом ВС, и прогноза на ближайшее будущее. Необходимо не только наличие высококлассного диагностического оборудования, способного производить точные измерения функциональных параметров ГТД, но и устойчивого словаря признаков предотказного состояния.

Современные системы ТД (бортовые и наземные) не обеспечивают таких жёстких требований, т. к. они изначально закладывались как вспомогательные, а надёжность работы обеспечивалась ограничением ресурса. В таких условиях невозможно производить комплексный прогнозный анализ функциональных параметров, что не даёт внедрить систему ТО по фактическому состоянию в эксплуатацию ГТД.

Для упрощения создания системы диагностирования необходимо выработать группу основных параметров, точное отслеживание изменения которых даст полную картину техниче-

ского состояния двигателя. Т. е. Необходимо брать в расчёт такие параметры, которые быстро и в достаточной степени (имеется в виду чувствительность параметра к изменению технического состояния) реагируют на изменения в процессе функционирования двигателей.

Одним из таких параметров является вибрация двигателя. Вибрация вызывается динамическими силами, возникающими от движущихся внутренних узлов. Каждый авиационный двигатель имеет в своём составе большое количество вращающихся деталей, каждая из которых вносит свой вклад в общий вибрационный шум двигателя.

Отдельные сигналы вибрации суммируются в общий вибросигнал, передаваемый на корпус двигателя. Следовательно, проводя виброизмерения на корпусе ГТД, можно исследовать сигналы, идущие от различных внутренних узлов двигателя.

В настоящее время на двигателях ВС установлена система вибромониторинга технического состояния двигателя. Эта система, как-правило, включает в себя два вибродатчика, измеряющих вибрацию на передней и задней опорах двигателя (в плоскостях узлов навески), блок обработки сигналов датчиков, показывающие приборы в кабине экипажа. Пьезоэлектрические вибродатчики жёстко крепятся с помощью шпильки на специальных площадках корпуса двигателя. Схема одной из таких систем приведена на рис. 1.

ВП - вибропреобразователь; ЭБ - электронный блок;

СЛ - сигнальная лампа;

ПК - переключатель каналов; КК - кнопка контроля;

СИ - стрелочный индикатор;

УП - поверочная установка;

САК

Рис. 1. Структурная схема бортовой виброизмерительной аппаратуры самолёта Ту-154М

Данная система нацелена на выявление только грубых и опасных дефектов, непосредственно влияющих на безопасность работы двигателя. Она производит обработку вибросигналов только в низкочастотном диапазоне частот вращения роторов двигателя и измеряет общий уровень вибрации в этом диапазоне. Только очень крупные механические дефекты могут повлиять на изменение вибрации в данном диапазоне. Как правило, после таких нарушений в работе двигатель подлежит съёму с эксплуатации и отправке в дорогостоящий ремонт.

На современных ВС (Ту-204, Ил-96) устанавливается подобная виброаппаратура с пьезоэлектрическими датчиками вибрации. Единственным отличием является то, что в её состав включён следящий фильтр, позволяющий проводить отдельные измерения виброскорости роторов низкого и высокого давления. Такая необходимость в усложнении системы вибромониторинга продиктована условием модульности конструкции двигателя ПС-90, что даёт возможность локализовать дефект с точностью до роторной системы. Западные системы вибромониторинга ГТД построены по подобному принципу, но позволяют использовать штатные вибродат-

чики для подключения наземного оборудования и проведения дополнительных виброобследований, включая и подбалансировку ротора НД.

Но даже при такой постановке задачи возможности вибродиагностики используются не в полной мере. Это следует из того, что в эксплуатации не контролируется состояние различных агрегатов двигателя (эксплуатирующихся по назначенному ресурсу), отказ в работе которых также может привести к останову двигателя в полёте.

Вибродиагностика может использоваться и для решения исследовательских задач. Например, с её помощью можно производить входной контроль качества сборки двигателя или решать вопросы снижения шума.

Для решения таких задач бортовой виброизмерительной аппаратуры явно недостаточно. В настоящее время существуют мощные портативные вибродиагностические приборы, позволяющие решать весь спектр вопросов вибродиагностики: от измерения общего уровня вибрации в определённой полосе частот до взятия спектра огибающей высокочастотного сигнала и проведения динамической балансировки роторного оборудования.

В такой ситуации естественным является предложение об использовании таких систем для диагностирования технического состояния ГТД в условиях эксплуатации. Это позволит намного расширить спектр решаемых задач вибродиагностики и сделать крупный шаг на пути к ТО ГТД по техническому состоянию.

Одним из главных препятствий на пути внедрения таких систем является отсутствие приспособленности ГТД для постановки дополнительных датчиков вибрации. Наружные корпуса авиационных двигателей изготавливаются из лёгких сплавов титана и алюминия, что исключает возможность применения магнитов для крепления дополнительных пьезоэлектрических вибродатчиков, а использование шпилек также затруднено необходимостью применения демонтажно-монтажных операций.

Ещё одним недостатком применения пьезоэлектрических вибродатчиков является невозможность измерения вибрации в высокотемпературных точках. Вместе с тем такая задача может возникнуть в случае одноконтурных двигателей (например, вертолётных ГТД или ТВД).

В этих условиях очень перспективным является применение лазерных вибропреобразователей, работающих на эффекте Доплера. В состав таких датчиков входит оптическая система линз для фокусировки лазерного пучка и оптический квантовый генератор. Для удобства наведения датчика на объект контроля в лазерном луче содержится составляющая видимого спектра излучения.

Такие датчики не требуют установки на двигатель и позволяют снимать вибросигнал с точек на корпусе ГТД с расстояния до 5м (по данным техпаспорта датчика, применённого автором). Для удобства наведения датчика достаточно использовать установленный на земле штатив (рис.2).

Автором были проведены виброизмерения на двигателе ПС-90А самолета Ту-214 и Д-30КУ-154 самолета Ту-154М. Эти испытания показали удобство использования лазерного вибропреобразователя. Работы проводились с использованием вибродиагностичесого прибора «Кварц» фирмы «Диамех» в качестве анализатора сигналов лазерного вибродатчика. Данный прибор имеет в своём составе также и штатный пьезоэлектрический вибродатчик. Но проведённые ранее испытания по замеру вибрации на ГТД Д- 30КУ154 показали явные недостатки: затраты большого количества времени на перестановку датчика с одной точки контроля на другую (что в условиях рабо-

Рис.2. Проведение измерений на двигателе ПС-90А самолёта Ту-214 с помощью лазерного вибропреобразователя

ты двигателя ведёт к перерасходу топлива), необходимость применения стремянок для обеспечения доступа к местам установки датчика (детали из ферромагнитных сплавов).

Применение лазерного вибропреобразователя позволило значительно сократить время замера, т. к. перенацеливание датчика с одной точки контроля на другую осуществлялось простым поворотом головки фотоштатива.

Целью виброиспытаний является сравнительный анализ вибросостояния двигателей ПС-90А и Д-30КУ-154 и получение спектров вибросигналов в различных точках на корпусе двигателей. Измерения проводились при работе двигателей на режиме малого газа с целью выявления слабых источников вибрации и одновременного повышения общей экономической эффективности контроля. На рис.3, 4, 5, 6 приведены для сравнения спектры вибрации, полученные на разделительном корпусе и коробках приводов двигателей.

1

ІІ

Рис. 3. Спектр виброскорости разделительного корпуса двигателя ПС-90А

2

1,8

1,6

1,4

1,2

0

1 1 г

0,8

0,6

0,4

0,2

II 1, .1

Іі 1 1 1 і 1.1 і. .lliL.ll 1 . 1 11 1 1 1 ІІ .. 1

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

Рис. 4. Спектр виброскорости разделительного корпуса двигателя Д-30КУ-154

0

1000

5000

9000

Рис. 5. Спектр виброскорости коробки приводов двигателя ПС-90А

2,5

2 1,5 2

1

1 1

1, і 1 1 1 1 1, ,

АЯИР ' .к іик.іі | аЬ А і А і Г Ікіїіі ції . к*

0,5-

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

Рис. 6. Спектр виброскорости задней коробки приводов двигателя Д-30КУ-154

На приведённых выше спектрах по оси У отложены значения виброскорости в мм/с, а по оси X - значения частоты контроля в Гц. Из графиков видно, что при приблизительно одинаковой наработке (1000 часов) вибросостояние двигателей этих типов различное.

Уровни дискретных составляющих вибрации различаются почти в 3 раза. В двигателе Д-30КУ-154 также высок уровень шумовых компонент. На дискретные составляющие спектра влияют в большей степени лопаточные узлы, зубчатые соединения и силы дисбаланса от вращающихся деталей; шумовые компоненты вибрации связаны со случайной вибрацией и вибрацией, возбуждаемой силами трения.

Дискретная вибрация является главным возбудителем акустического шума (не принимая во внимание основной источник шума ГТД - струю выходящих газов). Например, по уровням лопаточных частот в области компрессора можно косвенно судить об уровне акустического шума, генерируемого работой каждой ступени компрессора. При таком анализе данные виброизмерений являются очень ценным материалом: регулируя осевой зазор между направляющими аппаратами и рабочими колёсами при одновременном измерении вибрации (в условиях производства) можно добиться наименьшего уровня вибрации на лопаточных частотах, а следовательно, и наименьшего уровня звукового шума.

Таким же образом в условиях производства можно использовать лазерные виброизмерения при отработке рабочих зазоров в зубчатых соединениях в целях снижения виброакустического шума и повышения надёжности функционирования ГТД.

3

2

0

В условиях эксплуатации подобный виброконтроль даст гораздо более полную картину внутреннего состояния двигателя. По изменению уровня вибрации отдельных компонент (а также и компонент спектра огибающей высокочастотной вибрации) можно судить об изменении технического состояния двигателя и правильно определить узел, в котором происходят эти изменения, что является практически невозможным при использовании бортовых систем виброконтроля (и это при условии модульности конструкции современных ГТД).

Следовательно, внедрение в эксплуатацию углубленной вибродиагностики ГТД с использованием лазерных вибродатчиков в качестве источников первичной информации при относительно небольших затратах времени и материальных средств позволит достигнуть большого экономического эффекта, путём точного определения отказавшего модуля; сокращения времени на сборочно-разборочные операции, а следовательно и регулировку двигателя во время и после сборки. При такой системе диагностики делается возможным замена модуля в условиях технически оснащённых АТБ аэропортов, т.к. отпадает необходимость передачи двигателя на завод-изготовитель для проведения полной разборки и выявления дефектных узлов.

ESTIMATION OF AVIATION GAS TURBINE ENGINES VIBRATION CONDITION WITH LASER-BASED VIBRATION TRANSDUCER APPLICATION

Ozerov A.V.

In the article it is introduced experimental data results on aviation gas turbine engines vibration condition diagnostics with laser-based vibration transducer application as an initial vibration signal source

Сведения об авторе

Озеров Андрей Владимирович, 1982 г.р., СПбГУ ГА (2005), инженер АТБ ФГУП «ГТК «Россия», г. Санкт-Петербург, аспирант кафедры №26 «Диагностика и неразрушающий контроль технических систем» СПбГУ ГА, область научных интересов - неразрушающий контроль и техническая диагностика изделий авиационной техники.