3. Методы технического диагностирования

3.1. Методы технического диагностирования по изменению

параметров динамических процессов

3.1.1. Вибрационная диагностика

При работе ГТД все его детали, узлы и агрегаты совершают вынужденные и резонансные колебания. Характеристики этих колебаний зависят от величины и характера возмущающих сил, их частот, от упруго-массовых характеристик элементов конструкции, которые в свою очередь зависят от ряда конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов. В общем случае вынужденные колебания деталей и узлов двигателя возникают от различного рода источников колебаний, наиболее существенное значение имеют колебания механического и аэродинамического происхождения.

Источниками механических колебаний являются:

- неуравновешенные силы;

- процессы соударения деталей двигателя;

- процессы, обусловленные силами трения качения и скольжения;

- процессы взаимодействия элементов конструкции двигателя через упругие связи.

Источниками колебаний аэродинамического происхождения являются:

- пульсация потока;

- неравномерное горение и переменные импульсы, создаваемые вращающимися лопатками.

Интенсивность колебаний механического происхождения, а следовательно, и вибрация корпуса двигателя определяются состоянием роторов, их опорных подшипников, жесткостью опор, т.е. состоянием систем двигателя.

Повышенная вибрация двигателя, свидетельствующая о наличии неисправностей в системах двигателя, является одной из основных причин ускоренного износа и усталостного разрушения деталей, подверженных действию вибрации (подшипники опор ротора, лопатки, крепления различных трубопроводов к корпусу двигателя и т.п.).

Инструментальные измерения уровня вибрации в эксплуатации позволяют, с одной стороны, выявить ряд неисправностей на ранней стадии их возникновения и тем самым предупредить отказы, а с другой, - исключить случаи необоснованного съема двигателей по субъективным ощущениям вибрации.

ГТД характеризуется широким спектром вибраций, который определяется:

- частотой вращения ротора;

- частотой прохождения рабочими лопатками лопаток соплового аппарата и ВНА;

- частотой вращения элементов подшипника;

- частотой вращения зубчатых колес, шестерен, элементов насоса;

- частотой собственных колебаний элементов конструкции двигателя;

- частотой акустических возбуждений;

- турбулентностью газового потока.

Если допустить, что двигатели собраны в соответствии с требованиями технических условий, то из-за случайных отклонений монтажных зазоров и натягов от номинальных размеров (в допустимых пределах), из-за случайных отклонений размеров деталей двигателя от номинальных (в допустимых пределах) и т.п. внутренняя структура двигателей будет всегда различной. По этой причине каждый из исправных двигателей будет по-разному реагировать на одни и те же выходные сигналы при одних и тех же условиях воздействия, и иметь различные вибрационные характеристики. Разброс характеристик наблюдается во всем рассматриваемом диапазоне частот. Это указывает на то, что вибрационные характеристики, зависящие от внутренней структуры двигателя, находятся под влиянием большого количества разнообразных причин и имеют случайный характер.

Эффективность диагностирования по вибрациям повышается, если в процессе эксплуатации используются индивидуальные эталонные спектрограммы, которые снимаются с каждого двигателя в начале эксплуатации при его установке на самолет. В этом случае оценка изменения состояния по вибрациям производится относительно этой эталонной спектрограммы.

Характерной особенностью спектрограмм исправного двигателя является их стабильность при многократных регистрациях в процессе эксплуатации.

Определенное влияние на результат диагностирования оказывает правильность выбора диагностического признака вибрации наряду с оптимальным выбором места установки датчика.

Достоверная оценка состояния двигателя по вибрациям зависит от количества диагностической информации, которая имеется в распоряжении при поиске. Основные этапы сбора информации при установлении причин повышенных вибраций двигателя в полете - изучение условий проявления неисправности, внешний осмотр двигателя после полета, измерение и анализ вибрации.

Если при внешнем осмотре не обнаружены неисправности или имеющихся признаков недостаточно для принятия решения, то двигатель подготавливается к запуску и проведению диагностирования по вибрациям. Для этого составляется перечень всех возможных частот, при которых могут существовать вибрации, если такого перечня нет в технической документации. В перечне должны быть указаны частота вращения ротора, типы подшипников, число элементов подшипников и их размер, частоты зацепления зубчатых передач, число лопаток компрессора и турбины, скорость вспомогательных элементов, а также резонансные частоты конструктивных элементов или критические частоты. Это позволяет быстро идентифицировать частоты, наблюдаемые на вибрационном спектре и выявить частотные составляющие с высоким уровнем вибраций.

Для вибрационного диагностирования ГТД наиболее целесообразно применение спектрального анализа и кепструм анализа.

Спектральный анализ заключается в построении спектрограмм вибраций с помощью широкополосного фильтра и последующего ее анализа математическими методами.

Наиболее эффективен спектральный анализ с автоподстройкой центральной части фильтра в соответствии с флуктуациями частоты вращения ротора.

В качестве измеряемого параметра можно использовать величину перемещения (в диапазоне частоты от 0 до 1000 ), скорость вибраций (от 10 до 2500 ) и ускорение вибраций (от 10 до 50000 ):

(3.1)

где - амплитуда виброперемещения; ; и - круговая частота и фаза колебаний, соответственно.

В некоторых случаях наличие дефектов, не проявляющихся на низкочастотных спектрограммах, может быть выявлено с помощью высокочастотных спектрограмм, т.е. целесообразно проводить диагностирование по параметру ускорения вибрации , а не по скорости вибрации (например, для редуктора центробежного насоса).

Динамические деформации диагностируемых деталей измеряют с помощью проволочных, фольговых или полупроводниковых тензорезисторов. Их работа основана на свойстве металлической решетки или фольги (константан, сплавы на основе никеля и молибдена, нихром) при деформации (растяжении или сжатии) изменять свое электрическое сопротивление.

Специальные проволочные тензорезисторы на цементной основе можно использовать при температуре до 900 . Однако, применяемые тензорезисторы не обеспечивают необходимую стабильность и надежность при длительной эксплуатации, поэтому их используют для вибродиагностирования при проведении экспериментальных исследований.

Для измерения параметров вибраций ГТД используют пьезоэлектрические, индукционные и емкостные преобразователи.

Наиболее широкое применение нашли пьезоэлектрические вибропреобразователи, работа которых основывается на пьезоэффекте - появлении электрических зарядов различной полярности на противоположных гранях некоторых кристаллов при их механической деформации.

Передача вибраций осуществляется через элементы конструкции, которые могут искажать характер и параметры вибрации. Поэтому, датчики надо стараться устанавливать как можно ближе к диагностируемому объекту.

Диагностирование по вибрациям должно проводиться в соответствии с руководством, в котором указаны:

- спектр исправного двигателя;

- линии предельного уровня составляющих спектра вибрации, превышение которых свидетельствует о появлении неисправности в системах двигателя;

- условия и места замеров вибрации, а также их периодичность;

- спектры вибрации двигателя для состояний, характеризующих наиболее вероятные в эксплуатации неисправности;

- уровни вибрации для важнейших деталей и узлов машины, превышение допустимого уровня которых будет указывать на их повреждение;

- логические схемы поиска неисправностей.

Подобные руководства должны быть составлены для различных типов двигателей, его агрегатов, топливных и масляных насосов, вентиляторов, электродвигателей и др.

В наиболее простом случае сравнение спектров можно проводить наложением зарегистрированной спектрограммы на эталонную карту. На эталонной карте нанесен спектр исправного двигателя и линия предельного уровня составляющих спектра.

Если замеренный спектр вибрации не превысил статистическую предельную линию, но превысил значения предыдущих измерений, то это указывает на появившиеся неисправности, которые не развились еще до критического уровня. Поиск неисправности проводится в соответствии с логической схемой.

Для разработки критериев уровней вибрации двигателей необходимы замеры большого числа однотипных двигателей с разной степенью работоспособности. В результате таких измерений устанавливаются спектры исправных двигателей, спектры для характерных неисправностей, а так же линии предельной эксплуатации.

Акустическая эмиссия представляет собой волновой процесс, возникающий в деталях, когда в межкристаллической решетке металлов происходят необратимые изменения с образованием микротрещин. Этот колебательный процесс фиксируется датчиком, который устанавливается непосредственно на исследуемую деталь или детали, имеющие с ней акустический контакт. Этот метод дает надежную информацию о начале усталостного процесса разрушения и его развитии. Он позволяет обнаружить транс- и межкристаллические трещины, которые невозможно выявить другими методами неразрушающего контроля.

Схемы размещения датчика и собственно прибора для обнаружения усталостных трещин в подшипнике качения представлены на рис. 3.1 и 3.2.

Рис. 3.1. Схема размещения датчика для обнаружения

усталостных трещин в подшипнике качения:

1 - подшипник; 2 - вибродатчик (тензодатчик);

3 – пластина для наклейки тензодатчика; 4 - опора ротора

Рис. 3.2. Схема прибора для обнаружения усталостных трещин

в подшипнике качения

1 - пьезодатчик с предусилителем; 2 и 2’ - нижний и верхний

узкополосные фильтры; 3 - подавитель помех; 4 – источники

опорного сигнала; 5 - блок сравнения; 6 – индикатор

разрушения; 7 - головной телефон

На рис. 3.3 приведены осциллограммы сигналов внутренних вибропреобразователей, полученные при испытании радиально-упорных подшипников.

Рис. 3.3.

На практике при вибрографировании ГТД широко применяются следующие приборы и комплексы оборудования:

- универсальный виброметр УМ-3/Х;

- комплект виброаппаратуры ИВ-300;

- виброакустический индикатор ИВА-4000 с дефектоискателем (контроль ступеней компрессора);

- виброакустический прибор ДИП-1 (диагностический индикатор подшипников, выявляющий на начальной стадии дефекты типа мелких выкрашиваний - питтинга, раковин, сколов, выработки на беговых дорожках подшипника, сепараторах, телах качения, а также предназначенный для определения наличия посторонних частиц в смазке).

3.1.2. Диагностика состояния двигателя по шуму

Шум исправного двигателя по своему спектру является сплошным во всем диапазоне частот с рядом дискретных составляющих. Широкополосный шум порождается беспорядочными колебаниями газовоздушного потока. Дискретный (узкополосный) шум обусловлен вынужденными колебаниями деталей двигателя (рис. 3.4).

Рис. 3.4.

Проанализируем субъективную оценку шума в зависимости от различных источников.

Если принять за ноль уровень шума на пороге слышимости для человека, что соответствует звуковому давлению 20 МПа – это примерно уровень звуков в безветренную погоду в глубоком лесу зимой, – то окажется, что самолет при взлете создает на радиусе 100 метров шум в 130–140 дБ (нормальный разговор – 65 дБ; легковой автомобиль – 85 дБ; тяжелый грузовик – 100 дБ; оркестр поп-музыки – 110 дБ предельно допустим). Появление неисправностей в системах двигателей приводит к появлению новых источников шума и изменению спектра шума при работе двигателя.

При исследовании шума как носителя диагностической информации, изучаются следующие характеристики звукового поля:

- спектр суммарной излучаемой акустической мощности;

- характеристики направленного излучения в различных частотных полосах;

- спектр уровня звукового давления в различных точках звукового поля;

- спектр шума при узкополосном анализе с использованием его записи.

При анализе шума с использованием узкополосного фильтра (ширина полосы менее 20 Гц) на фоне сплошного спектра можно выделить дискретные составляющие, соответствующие частотам следования лопаток различных ступеней компрессора. Спектр этого же шума, получаемый при анализе широкополосными фильтрами представляется практически сплошным, так как в полосе пропускания таких фильтров обычно укладываются частоты нескольких источников излучения, что не позволяет точно определить неисправную систему.

Спектр шума отдельных агрегатов двигателя (насосы, генераторы и т.д.) может быть получен путем их прокрутки от постороннего источника на характерных для них режимах работы. Однако не во всех случаях имеется возможность поэлементных исследований, так как далеко не каждый источник колебаний является узлом или агрегатом двигателя. В этом случае применяется метод последовательных исключений, при котором отключают исследуемый источник, а шумы остальных источников рассматривают как фон. Уровень шума и вибрацию источника определяют по формуле:

(3.2)

где - уровень колебаний до исключения источника; - уровень колебаний после исключения источника; - уровень колебаний, создаваемый исключенным источником.

При этом методе источник колебаний исследуется в условиях работы двигателя и исключается влияние прибора.

Исследование информации, снимаемой с микрофона, совместно с информацией, снимаемой датчиками давления и вибрации, расширяет возможности каждого из этих методов диагностики и повышает разрешающую способность каждого из методов в отдельности.

Для измерения акустического шума применяют измерительные микрофоны.

Наибольшее распространение получили измерительные микрофоны конденсаторной, пьезоэлектрической и электродинамической схем.

Действие конденсаторного микрофона основано на преобразовании звукового давления, воздействующего на мембрану, в изменение емкости конденсатора, образованного мембраной, неподвижным электродом и воздушным зазором между ними.

Действие пьезоэлектрического микрофона основано на возникновении переменного электрического напряжения на пьезоэлектрической пластине при воздействии на нее звукового давления.

3.1.3. Спектр шумов основных узлов ГТД

Основными источниками шума ТРДД являются: струя истекающих газов, вентилятор (компрессор), турбина.

Относительная роль этих источников в генерировании шума в ТРДД зависит от степени двухконтурности, т.е. от соотношения расходов газа во внешнем и внутреннем контуре. С увеличением степени двухконтурности снижается уровень шума струи и растет шум вентилятора (компрессора) и турбины.

Шум вентилятора, а также и шум турбины возникает в результате периодического воздействия вращающихся лопаток на воздушную и газовую среды; максимальная интенсивность шума сосредоточена в области высоких частот.

У винто-вентиляторных двигателей главным источником шума является воздушный винт. Он создает шум в результате периодического действия вращающихся лопастей на воздушную среду. Каждый раз, когда через точку пространства проходит лопасть винта, воздуху сообщается импульс давления. Импульсы, следующие один за другим от последовательно проходящих через эту точку лопастей, распространяются в воздухе в виде звуковых волн. Интенсивность шума зависит от скорости лопастей, их числа и аэродинамической нагрузки на них. Спектр шума винта, в основном, низкочастотный и частоты составляющих шума определяются произведением числа лопастей на скорость вращения.

Спектр шума воздухозаборника определяется взаимодействием набегающего потока со стенками канала. При высокой турбулентности потока происходит уширение спектральных линий.

Спектр шума компрессора (вентилятора) состоит из широкополосного вихревого шума и узкополосного шума дискретных тонов. Широкополосный шум обусловлен аэродинамическими причинами, дискретные тона обуславливаются частотой вращения ротора. Рост интенсивности широкополосного шума свидетельствует о срыве потока воздуха с рабочих лопаток и лопаток спрямляющего аппарата. Это может служить диагностическим параметром помпажа.

Спектр шума камеры сгорания является результатом процесса горения. Горение в исправном двигателе вызывает шум со сплошным спектром. При работе неисправного двигателя (с пульсирующей подачей топлива и воздуха) возникают резонансные и вынужденные колебания. Вибрационное горение имеет автоколебательный характер, т.е. акустические колебания возбуждаются процессом горения и воздействуют на фронт пламени, усиливая его вибрацию. В этом случае камера сгорания служит мощным источником низкочастотного шума.

К причинам вибрационного горения относят:

- колебания расхода воздуха (т.е. колебания коэффициента избытка окислителя);

- изменение качества распыла;

- неравномерность подачи топлива.

Спектр шума турбины состоит из высокочастотных тонов, наложенных на широкополосный шум, вызванный взаимодействием турбины с неоднородным газовым потоком, поступающим из камеры сгорания.

Физическая природа шума газовой турбины аналогична природе шума компрессора, однако спектр шума аэродинамического происхождения газовой турбины имеет более высокочастотный характер.

Выделить шум турбины из шума компрессора и реактивной струи очень трудно. Это возможно лишь вычитанием спектров, полученных отдельно для компрессора и реактивной струи из общего спектра двигателя.

Спектр шума реактивной струи. Основной источник шума ТРД - струя реактивных газов, истекающая из сопла.

Звуковые волны образуются в результате перемешивания частиц газа, имеющих высокую скорость истечения, с частицами окружающего воздуха. Спектр шума струи - широкополосный. По оси, в направлении истечения, зафиксирован максимум шума в области низких частот, а в направлении перпендикулярном истечению - максимум шума в области высоких частот.

Увеличение температуры газа приводит к увеличению широкополосных составляющих, вызванных турболентностью потока.

Шум от истечения газов имеет широкий сплошной спектр с максимумом интенсивности на высоких частотах.

Спектр шума от колебания роторов. Интенсивность шума определяется деформацией роторов, которая в свою очередь, зависит от расположения подшипников, распределения масс, жесткости вала и подшипников.

Спектр шумов подшипников, насосов и приборов. Шум исправного подшипника намного слабее, по сравнению с другими источниками. Появление неисправности приводит к возникновению дискретных составляющих в спектре шума, частота которых определяется видом неисправности (волнистость дорожек, радиальный зазор, овальность шариков, овальность колец, разноразмерность шариков, огранка шариков, зазор гнезд сепаратора).

Рассмотрим формулы для определения частоты, которая соответствует различным дефектам и неисправностям в подшипниковых узлах ГТД.

1. Волнистость дорожек.

(3.3)

где – частота вращения ротора; – число волн по окружности; – диаметр шарика; – диаметр окружности, проходящей через центр шариков; «+» – соответствует наружному кольцу; «-» – соответствует внутреннему кольцу.

2) Радиальный зазор.

(3.4)

где – число шариков; – номер гармоники.

3) Овальность шариков.

(3.5)

4) Овальность колец.

(3.6)

где - число оборотов ротора.

5) Разноразмерность шариков.

(3.7)

где - радиусы дорожек качения внутреннего и наружного колец.

6) Огранка шариков.

(3.8)

где - число граней.

7) Зазор гнезд сепаратора.

(3.9)

Спектр шума насосов определяется пульсацией рабочих жидкостей, вибрацией наружной поверхности насоса и трубопровода.

Спектр вибраций насосов подобен спектру вибраций и пульсаций рабочих жидкостей.

Собственные частоты деталей имеют сравнительно широкий диапазон, что обуславливает широкий спектр шума. При повреждении элементов насоса появляются дискретные составляющие.

Особенно опасно возникновение колебаний в диапазоне от 1 до 80 Гц, которые могут оказывать сильное отрицательное влияние на экипаж. Субъективно изменение шума в этом случае воспринимается как «зуд».

К причинам возникновения «зуда» относят:

1) колебания распределительного клапана насоса-регулятора вследствие чего возникают пульсации топлива в коллекторе;

2) разрушение деталей двигателя.

Диагностические признаки «зуда» разделяют на:

1-го типа: пульсация давления топлива.

2-го типа: вибрация двигателя; стружка в масле; металлический налет на поверхности реактивного сопла.

Спектр шума приводов, возникает от соударения зубьев, дисбаланса зубчатых колес и наличия волнистости на поверхности зубьев.

При появлении повреждений на поверхности зубьев и неисправностей в системе зацепления резко возрастают по величине дискретные составляющие спектра.

При равномерной выработке поверхностей зубьев повышается уровень высокочастотных колебаний.

3.1.4. Метод термогазодинамических параметров

Данный метод оценки состояния двигателя основан на анализе тенденций изменений отклонений нерегистрируемых параметров от эталонных значений в процессе эксплуатации по результатам измерения отклонений регистрируемых. Метод выявляет лишь те неисправности, которые вызваны отклонением термогазодинамических параметров: полные и статические давления; температуры; расходы топлива и воздуха и т.д.

К неисправностям, выявляемым указанным методом можно отнести:

1) износ лопаток компрессора и турбины;

2) забоины, коробление и деформация лопаток;

3) потери на входе в воздухозаборник;

4) утечка газа;

5) прогар и коробление камеры сгорания;

6) разрушение лент перепуска, клапанов, прокладок и лабиринтных уплотнений;

7) потери в камере сгорания;

8) загромождение газовоздушного тракта.

Для определения отклонений нерегулируемых параметров используется система линейных уравнений малых отклонений, где в качестве независимой переменной приняты отклонения регистрируемых параметров.

, (3.10)

где – нерегистрируемые термогазодинамические параметры (КПД турбины и компрессора – степени изменения давления в компрессоре и турбине – ; заторможенная температура за камерой сгорания – ); – регистрируемые в эксплуатации параметры; – коэффициенты влияния.

Алгоритм определения состояния двигателя следующий:

1) составляется система уравнений для определения неисправностей;

2) в процессе эксплуатации регистрируются отклонения параметров ;

3) по результатам решения системы уравнений строится график изменения по наработке, рис. 3.5;

4) проводится анализ изменения нерегистрируемых параметров.

Рис. 3.5.

Критериями оценки состояния двигателя служат скорость изменения и абсолютное значение .

В качестве характеристики исправного состояния двигателя принимают эталонные базовые кривые определенного двигателя, полученные при контрольно-сдаточных испытаниях или индивидуальные эталонные кривые для каждого двигателя.

Так как при указанном методе измеряются не абсолютные значения параметров, а их разности, то величина погрешности датчика не имеет значения. Замер параметров должен производиться точно на выбранном для расчета системы уравнений режиме (высота полета , число Маха ), так как отклонения от заданного режима приводят к разбросу вычисляемых приведенных параметров и отклонению их от эталонных значений.

Фактическую оценку изменения состояния деталей ГТД проводят по величине износа деталей, которую определяют инструментальным способом.

3.1.5. Дискретно-фазовый метод измерения колебаний лопаток

Метод позволяет измерять колебания всех лопаток рабочего колеса одновременно и не требует сложных работ по препарированию двигателя. Он выявляет момент возникновения опасных колебаний лопаток во всем диапазоне рабочих режимов.

Суть метода состоит в том, что относительные перемещения лопаток измеряются непрерывно, а в отдельные моменты времени, которые определяются частотой вращения ротора. По полученным дискретным значениям с помощью электронного устройства восстанавливается процесс колебания лопаток и производится оценка параметров колебательного процесса.

Чувствительные элементы (датчики), фиксирующие дискретную информацию, устанавливаются на неподвижных деталях двигателя, что обеспечивает бесконтактность измерений.

Дискретные значения относительных перемещений лопатки измеряются с помощью различных чувствительных элементов: индуктивных, емкостных, магнитных, оптических и др.

Над лопатками рабочего колеса, рис. 3.6, установлены 4 индукционных датчика по вершинам квадрата 10х10 мм. Внутри двигателя на неподвижном кронштейне установлен датчик опорного сигнала .

Рис. 3.6.

Электронная схема сравнения опрашивает по очереди все лопатки и формирует разностные сигналы, по которым счетно-решающее устройство рассчитывает параметры колебательного процесса для каждой лопатки. В случае превышения допустимой амплитуды колебаний на сигнальном табло высвечивается номер лопатки.

3.1.6. Метод осциллографирования параметров

Процесс диагностирования существенно упрощается, если анализ изменений параметров систем двигателя проводится по результатам осциллографирования комплекса параметров, характеризующих исследуемую систему.

Особенностью такого диагностирования является то, что диагностическая информация регистрируется при действительном функционировании системы с учетом влияния диагностических явлений.

При оценке состояния двигателя по результатам осциллографирования используются методы эталонных констант, эталонных осциллограмм и метод сопоставления осциллограмм основных параметров. Перечень параметров, подлежащих осциллографированию, определяется в зависимости от вида неисправности системы.

В формуляр двигателя вкладываются осциллограммы его параметров при выпуске с завода или после ремонта. Сравнение с этими осциллограммами данных, полученных при эксплуатации, позволяет более достоверно оценить состояние двигателя.

Эффективность диагностирования повышается, если имеется альбом эталонных осциллограмм для характерных неисправностей, встречающихся в эксплуатации с указанием способов их устранения.

3.1.7. Оценка состояния опор ротора по температуре

Появление в подшипнике неисправностей приводит к возникновению дополнительных сил трения, которые повышают температуру подшипника. Если датчики температуры масла установить на выходе магистрали, то производится замер некоторой средней температуры масла, поступившего из всех опор приводов и агрегатов, при этом не всегда удается зафиксировать единичные случаи разрушения. В общем случае измерение температуры масла непосредственно в области опоры на установившемся режиме представляет собой с точки зрения математики апериодически сходящийся процесс. Для такого процесса характерно наличие двух участков переходного (нестационарного) и установившегося (стационарного).

Первый участок определяется подводом тепла к маслу с момента выхода двигателя на режим и до момента наступления теплового равновесия между отводом тепла от деталей и подводом его к маслу.

Второй участок характеризуется установившейся температурой масла при тепловом балансе.

Диагностическими признаками, используемыми при оценке состояния опор ротора, являются:

1) максимальные значения температуры масла в соответствующие фиксируемые моменты времени.

2) скорость, интенсивность изменения температуры.

3) время выхода температуры на стационарный режим.

Последние два признака во многом зависят от субъективных факторов (квалификация персонала), поэтому они применяются сравнительно редко.

Сравнивая изменение температуры масла по времени эксплуатации с эталонной кривой, можно диагностировать состояние любого узла двигателя.

Рассмотрим работу подшипника турбины низкого давления, рис. 3.7.

Так как подшипник контактирует с опорой по значительной поверхности, то тепло передается корпусу двигателя, поэтому температурное поле корпуса также является диагностической информацией о состоянии опор ротора.

Рис. 3.7.

1. нормально работающий подшипник; 2) неисправный

подшипник; 1 - начало разрушения исправного подшипника;

2 - полное разрушение подшипника (отрыв турбины низкого давления).

3.1.8. Специальные средства контроля технического состояния

ГТД

Счетчики наработки и числа циклов призваны обеспечить возможность косвенного контроля фактически израсходованного ресурса двигателя.

Известно, что надежность ГТД тесно связана с числом циклов и количеством «жестких» режимов работы. Особенно сильно эти факторы влияют на повреждаемость элементов горячей части двигателя. Поэтому важным является регистрация циклов, выработанных двигателем и наработки различных по напряженности режимов.

Простейшие счетчики состоят из нескольких электрочасов, учитывающих наработку по режимам (напряженность режима оценивается по ).

Контроль выбега ротора - времени его вращения после выключения двигателя. Этот метод обеспечивает оценку работы трансмиссии двигателя.

Обнаружение частиц металла в потоке в выходном устройстве в диагностическом смысле играет такую же роль для контроля состояния элементов проточной части, как анализ масла на содержание металла для контроля омываемых маслом поверхностей. Для этой цели могут использоваться электростатические зонды, установленные в потоке. Металлические частицы, появляющиеся в потоке заряжаются, а при ударе о зонд отдают ему свой заряд, что фиксируется осциллографом.

Ионизационные сигнализаторы горения нашли широкое применение в авиационных ГТД с форсажной камерой. Отсутствие горения при включенном форсаже, свидетельствует о неисправностях в системе запуска форсажной камеры, что может привести к перерасходу топлива при неудачных пусках. Фиксация процесса горения может осуществляться с помощью оптического пирометра.

3.2. Техническая диагностика по изменению физико-

механических параметров

3.2.1. Диагностика деталей, омываемых маслом

Отклонение металлургических или механических свойств материала и размеров деталей могут служить причиной местного разрушения поверхностного слоя металла. В процессе развития неисправности поток масла уносит оторванные частицы материала от места разрушения. Присутствие в масле таких частиц используется как индикатор неисправности. Такой метод оценки технического состояния деталей называется трибодиагностикой.

Интервал времени от начального момента разрушения поверхности до ее полного разрушения велик, что позволяет выявить неисправность на ранней стадии ее возникновения. Однако необходимо различать продукты нормального износа, имеющего место при эксплуатации, от частиц, появляющихся при разрушении или внесенных при изготовлении и ремонте двигателя, агрегата, наcоса, гидропривода.

Металлическая производственная стружка, внесенная при сборке, характеризуется наличием на ее поверхности темных участков, а также волокнистой и рваной поверхностью. При нормальной эксплуатации ГТД железные частицы износа образуют в масле пастообразующую массу с низкой вязкостью. Они не оказывают заметного влияния на работу двигателя. Размеры таких частиц составляют порядка 25 мкм.

Для выявления неисправности особое внимание надо уделить характерным признакам частиц, указывающим на начальную стадию разрушения, так при разрушении подшипников частицы представляют собой яркие сверкающие скругленные элементы стружки. Материал стружки имеет мелкозернистую структуру с полировочными пятнами, которые образуются в процессе вращения. Размеры частиц 250…1500 мкм.

В качестве характеристик частиц при их анализе с целью оценки могут быть использованы следующие признаки: размеры, форма, структура, цвет, количество и другие специальные характеристики.

Имеющаяся тесная связь между скоростью износа и накоплением частиц в масле, позволяет использовать информацию о свойствах масла и наличии частиц в нем в качестве диагностической информации для распознания изменений в состоянии двигателя.

Сбор и регистрация этой информации осуществляется с помощью следующих методов и средств:

- масляные фильтры;

- магнитные пробки (ферромагнитный метод);

- электрические детекторы стружки;

- контроль омического сопротивления масляной пленки;

- спектральный анализ масла;

- анализ оптических свойств масла;

- анализ физико-механических свойств масла.

Масляные фильтры с металлической сеткой не обеспечивают задержание частиц, размер которых меньше размеров ячейки сетки. В результате этого значительная часть диагностической информации теряется. Введение в масляную систему магнитных пробок (рис.3.8) и электрических детекторов, устраняет этот недостаток.

Место установки магнитных пробок должно выбираться таким образом, чтобы поток масла и центробежные силы отбрасывали частицы металла к магниту.

1 - клапан; 2 – окно; 3 – пробка с постоянным магнитом; 4 – штуцер; 5 – пружина

Рис. 3.8

По феррограммам с помощью денситометра определяют количество металла, а с помощью микроскопа - характерные особенности частиц.

Электрические детекторы срабатывают при замыкании металлическими частицами двух электродов, расстояние между которыми определяет размер частиц.

Контроль долива масла позволяет оценить тенденцию изменения расхода масла. Рост расхода масла в большинстве случаев, свидетельствует об уходе масла через систему суфлирования.

Контроль омического сопротивления масляной пленки основан на том, что масляный слой между трущимися деталями является диэлектриком и обладает большим омическим сопротивлением. При наличие дефекта в трущейся паре, толщина слоя масла уменьшается и омическое сопротивление падает.

Принципиальная схема измерения проста: к вращающемуся валу прижимается медно-графитовая щетка, другой контакт электрической цепи выводится на корпус двигателя, между контактами устанавливается омметр.

Опыт использования рассмотренного способа показывает, что он позволяет выявить дефекты шестерен и подшипников на несколько часов раньше, чем на них среагирует сигнализатор количества стружки накопительного типа.

В настоящее время известны следующие спектральные методы анализа смазочных масел:

а) атомно-эмиссионный;

б) атомно-абсорбционный;

в) атомно-флуоресцентный.

Схема установки, реализующей атомно-эмиссионный метод, представлена на рис. 3.9.

Спектр характеризует химический состав продуктов износа, находящихся в пробе масла. Метод чувствителен к изменению температуры.

Атомно-абсорбционный метод основан на преобразовании находящихся в пробе масла составных элементов в атомный пар при температуре плазмы и освещении его светом, излучаемым исследуемым элементом. Атомный пар поглощает свет с длиной волны, равной длине волны спектра исследуемого элемента. При этом интенсивность излучения источника света падает пропорционально концентрации исследуемого элемента в масле. Измерения производятся фотодетектором. Метод нечувствителен к изменению температуры.

1 - генератор; 2,3 - электроды; 4 - ванна с маслом; 5 - линза-конденсатор; 6 - входная щель; 7 - дифракционная решетка, обеспечивающая разложение излучения в спектр; 8 – выходные щели; 9 - фотокатоды электронных умножителей; 10 – источник питания.

Рис. 3.9.

Атомно-флуоресцентный метод, в некотором смысле аналогичен атомно-эмиссионному, однако используется при определении предельно малых концентраций элементов.

К недостаткам спектральных методов можно отнести:

1) невозможность установления характера износа;

2) спектрометры не реагируют на наличие в масле частиц больших (более 10 мкм) размеров;

3) оборудование сложно, громоздко и дорого, а его эксплуатация требует высококвалифицированных специалистов.

Спектральный анализ позволяет определить ничтожно малую концентрацию химических элементов в масле. Например, установка МФС-3 позволяет выявить наличие в масле до 10 любых металлов за 2…2,5 мин. Зная характерные легирующие элементы для каждой детали, можно определить какая из них изнашивается. График изменения уровня концентрации железа в масле от наработки двигателя представлен на рис. 3.10.

1 - исправный двигатель; 2- неисправный двигатель; 3 - допустимый уровень концентрации Fe в масле.

Рис. 3.10.

Спектральный анализ позволяет выявить до 94% неисправностей масляной системы.

Анализ оптических свойств масла основан на измерении рассеивания и ослаблении светового пучка при его прохождении через поток масла. Анализ физико-химических свойств масла заключается в измерении его плотности, вязкости и других характеристик.

Выбор методов и средств диагностирования для конкретного двигателя определяется условиями обеспечения необходимого уровня безопасности полетов и эксплуатационными расходами.

Схема сбора диагностической информации приведена на рис. 3.11.

1 - маслобак; 2,6 - фильтры; 3 - нагнетающий маслонасос; 4,17 - датчики давления масла; 5,14 - датчики температуры масла; 7 - коробка агрегатов; 8 - линия суфлирования; 9 - опоры ротора двигателя; 10 - датчики температуры масла, магнитные пробки и места отбора масла для специального анализа; 11 - откачивающие насосы; 12 - магнитная пробка, масляный фильтр; 13 - воздухоотделитель; 15 - датчики давления и перепада давления на маслофильтре; 16 - топливно-масляный радиатор.

Рис. 3.11.

3.2.2. Диагностика температурных состояний деталей

Температурные воздействия являются одной из причин повреждения элементов конструкции двигателя. Предупреждение этих разрушений возможно на основе контроля температурного состояния детали или среды, омывающей эту деталь.

Метод оценки температурного состояния детали по результатам измерения температуры среды не является эффективным. Так, например, лопатка турбины, особенно охлаждаемая, имеет большие (до 180 градусов) перепады температур на участках с размерами менее одного миллиметра.

Наиболее часто для оценки теплового состояния детали используются оптические пирометры. Пирометр дает более полную информацию и является более надежным датчиком температуры, чем комплект термопар.

Измерение температуры пирометром осуществляется с помощью энергии, излучаемой в узком спектральном диапазоне волн. Соотношение между энергией и температурой определяется по формуле:

,

где - полная энергия излучения; - константы, зависящие от материала детали.

Пирометр (рис. 3.12.) состоит из оптической головки с сапфировой линзой, охлаждаемой воздухом. Инфракрасное излучение от детали фокусируется через калибровочное отверстие на активной поверхности линзы. Калибровочное отверстие предназначено для компенсаций различий в характеристике фотоэлемента.

В корпусе фотоэлемента находится термометр, выдающий сигнал компенсации при отклонении от нормальной температуры.

Корпус пирометра герметизирован.

Система синхронизации позволяет измерять температуру любой заданной лопатки. Пирометр тарируется по эталонному источнику с точностью до 0,5°C.

При измерении температуры с помощью пирометра возможны ошибки, обусловленные влиянием лучистой энергии соседних лопаток, состоянием поверхности лопаток и присутствием несконденсированных частиц углерода.

1 - головка пирометра; 2 - электро-разъем; 3 - штуцер подвода воздуха для обдува линзы; 4 - корпус камеры сгорания; 5 - рабочая лопатка; 6 - сопловая лопатка; 7 - смотровая трубка

Рис. 3.12.

В качестве диагностической информации используют максимальную, минимальную и среднюю температуры. Средняя температура характеризует дефекты системы охлаждения лопаток (обрыв дефлектора, засорение каналов и т.д.). Максимальная температура используется для оценки наиболее теплонапряженных участков лопатки (входная и выходная кромки). Разность между максимальным и минимальным значениями температуры характеризует температурный градиент по поверхности лопатки.

Применение пирометрического метода позволяет организовать эксплуатацию ГТД на оптимальных температурных режимах, определить механические свойства материала деталей газового тракта. Это, в свою очередь, позволяет увеличить срок службы деталей газовоздушного тракта ГТД.