автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Метод диагностики авиадвигателей на основе параметрической модели работы турбокомпрессора

На правах рукописи

ТОРБЕЕВ СТАНИСЛАВ АЛЕКСАНДРОВИЧ

МЕТОД ДИАГНОСТИКИ АВИАДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАБОТЫ ТУРБОКОМПРЕССОРА

Специальность 05.22.14. Эксплуатация воздушного транспорта

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва-2008

003452288

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Московский государственный технический университет гражданской авиации» (МГТУГА) на кафедре технической эксплуатации летательных аппаратов авиадвигателей (ТЭЛАиАД)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Пивоваров Владимир Андреевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Машошин Олег Федорович кандидат технических наук Бармин Вячеслав Владимирович

Ведущая организация ОАО «Аэрофлот» г. Москва

Защита состоится «_»_2008 г. в _ на заседании

диссертационного совета Д223.011.01

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета гражданской авиации

Автореферат разослан » __2008 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, д.т.н. проф.

У

С.К. Камзолов

Общая характеристика работы

Актуальность исследования. Стремление к обеспечению высоких потребительских свойств авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) диктует необходимость ужесточения параметров рабочего процесса, увеличение температуры газов, степени повышения давления, частот вращения роторов н др. Это повышает топливную экономичность и тяговую эффективность двигателей, однако одновременно сопровождается повышением стоимости ГТД и усложнению их конструкции. Также экономически оправданной необходимостью является обеспечение полного исчерпания ресурсных возможностей современных ГТД. Для достижения этих целей внедрена и работает система обеспечения лётной годности воздушных судов, составной частью которой является система объективного контроля технического состояния ГТД, его систем, жизненно важных узлов и агрегатов.

Как показывает опыт эксплуатации, около 50% прямых эксплуатационных расходов составляют расходы на техническое обслуживание и ремонт авиационных двигателей.

Снижение расходов на обслуживание является одной из важнейших задач организаций по ТО и Р. Здесь большую роль играет разработка и внедрение современных и высокочувствительных систем технической диагностики, позволяющих на ранней стадии обнаружить появление, развитие неисправностей и отказов.

Отказ авиационного ГТД приводит к снижению безопасности полёта, усложнению условий полёта, снижению запаса резервных возможностей для благополучного завершения полёта. Особенно опасные последствия вызывает отказ двигателя, сопровождаемый нелокализованным разрушением роторов. Такие разрушения всегда приводят к авиационным инцидентам, иногда с тяжёлыми последствиями социального и экономического характера.

Как правило, отказы ГТД внешне воспринимаются, как внезапные и случайные. Задача технической диагностики, как науки состоит в том, чтобы на основании природы отказов выявить параметры двигателя, отражающие процесс развития всевозможных аномалий до критического уровня, построить систему обработки этих параметров и формирования диагностических решений.

Особое место в проблеме обеспечения безопасности полётов занимают вопросы достоверности диагностики. Однако надёжность существующих систем контроля не превышает надёжности самих авиационных ГТД. Это приводит к тому, что отказ системы контроля воспринимается, как отказ двигателя, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Поэтому обеспечение максимальной достоверности диагностирования является необходимым условием достижения его высокой эффективности.

Перспективы развития систем диагностики авиационных ГТД связаны с разработкой новых принципов раннего предупреждения внезапных отказов. Предусматривается широкая автоматизация процессов диагностирования в реальном масштабе времени (непосредственно в полёте), интеграция систем диагностики и автоматического управления ГТД и т.д.

Диагностика по термогазодинамическим параметрам (параметрическая диагностика) является составной частью технической диагностики ГТД. Интенсивное развитие, которое она получила, в настоящее время, объясняется её преимуществами при диагностировании машин и механизмов, заключающимися в использовании информационных свойств параметров. В её основе лежит подтверждённая опытом гипотеза о том, что термогазодинамические параметры несут в себе информацию о состоянии двигателя в целом и состоянии отдельных его узлов и агрегатов. Подвергнув параметры работы двигателя соответствующей обработке, можно получить «адрес» предотказного состояния. На практике параметрическая диагностика сводится к наблюдению за изменением параметров работы двигателей при их эксплуатации и сравнении их с эталонными характеристиками (критериями). Важным является условие максимальной чувствительности параметров к дефектам. Обоснование и применение таких параметров является актуальной научной задачей.

Данная работа посвящена разработке метода повышения эффективности параметрической диагностики одного из широко распространённых авиационных двигателей гражданской авиации - двигателя Д-36 (самолёт Як-42).

Рассмотрены методы обработки параметрической информации с использованием математических моделей для получения данных о техническом состоянии ГТД на любом временном промежутке эксплуатации.

Диссертационная работа базируется на теоретических и экспериментальных исследованиях, проведённых лично автором в реальных условиях эксплуатации авиадвигателей Д-36 в АТБ ОАО «Авиационные линии Кубани».

Ниже приводится краткая характеристика цели, задач, основных результатов и содержания диссертационной работы.

Цель работы - повышение достоверности диагностики авиадвигателей в условиях эксплуатации с минимальными затратами времени и труда на основе применения новых методов и критериев оценки их состояния.

Главными задачами исследований явились:

- анализ существующих методов и средств диагностики авиадвигателей Д-36 применяемых в настоящее время при их эксплуатации;

- анализ работ по техническому обслуживанию двигателей Д-36 в целом и работ по контролю его состояния в частности;

- анализ отказов, неисправностей, повреждений авиадвигателей Д-36 в эксплуатации и причин их возникновения;

- выявление «слабых мест» конструкции двигателей Д-36;

- разработка новых подходов для совершенствования диагностики авиадвигателей в процессе эксплуатации, основанных на анализе параметрической информации, регистрируемых штатной аппаратурой самолёта.

Научная новизна работы состоит в следующем:

проанализированы результаты обобщения опыта эксплуатации авиадвигателей Д-36 и выявлены факторы, затрудняющие объективную оценку технического состояния ГТД при техническом обслуживании.;

- разработана новая диагностическая модель двигателя Д-36, отличающаяся возможностью реализации в производственных условиях и базирующаяся на установлении взаимосвязи между термогазодинамическими параметрами и параметрами окружающей среды.

- получены результаты идентификации различных состояний двигателей Д-36, эксплуатируемых на самолётах Як-42 в авиакомпании «Авиационные линии Кубани».

- уточнены диагностические решения состояния турбокомпрессорной части эксплуатируемых ГТД, полученные в условиях эксплуатации с использованием штатных средств обработки параметрической информации.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе полученных результатов можно:

- повысить правильность и достоверность диагностических решений при оценке состояния ГТД в условиях эксплуатации, тем самым повысить качество технического обслуживания ВС ГА;

- снизить временные и непроизводительные затраты, связанные с осуществлением поиска «адреса» дефекта и причин его появления;

- повысить уровень безопасности полётов.

Апробация работы

Результаты выполненных исследований докладывались и получили положительную оценку на научно - технических конференциях «Гражданская авиация на современном этапе развития науки и техники» и семинарах. Всего было сделано 5 научных докладов.

Разработанный метод диагностики авиадвигателей Д-36 получил применение при формировании диагностических решений при техническом обслуживании, о чём имеется соответствующий акт внедрения от ОАО «Авиационные линии Кубани».

Публикации

По материалам диссертационных исследований опубликованы 3 научные статьи (в соавторстве и единолично) в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных исследований.

Структура и объём диссертационной работы.

Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников. Основная часть работы изложена на 139 стр. машинописного текста, содержит 59 рисунков, 4 таблицы и 31 библиографическое название. Общий объём работы 142 страницы.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы. Кратко охарактеризован объект исследования. Сформулирована цель работы. Изложены научные и практические результаты, которые могут быть получены при достижении цели.

В первой главе выполнено обобщение опыта эксплуатации двигателя Д-36 в гражданской авиации РФ.

Рассмотрены конструктивные особенности и эффективность применения ТРД трёхвальных схем, их техническое обслуживание (на примере ТРДЦ Д-36).

Произведён статистический анализ отказов и неисправностей Д-36. Выделены наименее надёжные узлы и агрегаты. Приведены их характерные неисправности и повреждения, а также причины их возникновения при работе.

Проанализированы такие показатели эксплуатационной технологичности двигателя, как доступность к элементам и контролепригодность. Установлено, например, что заложенный уровень зксплутационной технологичности в большей степени позволяет выполнить осмотр проточной части оптико-визуальным методом, однако в ряде случаев возникают трудности связанные с трудоёмкими подготовительными операциями, что делает невозможным выполнить полный осмотр на среднем двигателе. При обслуживании маслосистемы и контроле состояния стружкосигнализатора СС-36 необходимо проводить дополнительный объем подготовительных работ, требующих неоправданно больших временных затрат и расходных материалов. Приводятся и другие примеры потерь труда и материалов при ТО. Особо отмечаются работы по диагностике Д-36, несовершенство которых впрямую влияет на достоверность диагностических решений.

Приведены и перечислены контролируемые параметры двигателя, выполнен обзор аппаратуры контроля и регистрации. Обосновано, что для качественного диагностирования состояния двигателей Д-36 имеющейся информации не достаточно.

Рассмотрены конкретные методики диагностики авиадвигателей Д-36 применяемые при ТО и Р и их эффективность. Определены дефекты, поддающиеся выявлению применяемыми методами диагностики. Обоснован вывод о том, что применяемые в настоящее время методики параметрической диагностики двигателя Д-36 не в полной мере реализуемы на практике. Этим обусловлена цель сформулированная в первой главе и ряд задач, вытекающих из самой цели.

Во второй главе рассмотрены концептуальные основы оценки состояния газотурбинных двигателей при ТО и Р.

В частности отмечается, что эффективность диагностики ГТД по результатам оценки термогазодинамических параметров определяется:

- уровнем точности контрольно-измерительной аппаратуры, используемой для измерения этих параметров;

- достоверностью технических норм на допускаемые отклонения термогазодинамических параметров.

Как показано в работе, эти два требования не выполняются на практике и не отражены в нормативно-технической документации.

Известно, что задачу диагностики состояния двигателя можно решать двумя подходами.

Первый основан на том, что оценка состояния формируется на сравнении фактических или расчётных значений параметров двигателя с нормами на допускаемые отклонения этих параметров или на сравнении темпов изменения параметров по мере выработки ресурса.

Такой подход, при наличии достоверных технических норм, является довольно простым и получил широкое применение, как на этапе серийных испытаний двигателей, так и в эксплуатации.

Второй подход основан на оценке характера и динамики изменения параметров. При его использовании требуется дискретное или непрерывное измерение параметров по времени. Признаком изменения состояния в данном случае является момент времени / или другие характеристики, которые соответствуют началу изменения параметров, отличного от типового. Этот подход подробно описан во второй главе и впоследствии реализован.

Так же во второй главе, описаны методы параметрического контроля, применяющиеся в процессе эксплуатации двигателя Д-36. Выявлены недостатки и трудности, возникающие в процессе использования данных методов. Освещены вопросы использования математических моделей для определения технического состояния авиационных ГТД.

Математическая модель, как известно, представляет собой совокупность констант и соотношений, т.е. формул, уравнений, неравенств и логических условий, которая однозначно связывает тестовую и результирующую ( ответную) информацию.

В целях совершенствования методов диагностики двигателя Д-36 по термогазодинамическим параметрам в процессе ТО и Р разработана альтернативная математическая модель двигателя Д-36, в которой в качестве входной информации используются фиксируемые при работе двигателя параметры, а результатом являются количественные характеристики (диагностические коэффициенты) и тренды их изменения.

Третья глава посвящена результатам обработки параметрической информации авиадвигателей Д-36 в соответствии с предложенной математической моделью, изложен алгоритм диагностирования проточной части двигателя Д-36 и представлена соответствующая программа.

В своей основе модель использует соотношение мощности рабочего колеса

турбокомпрессора ( О. обозначено , как ^ , а С г,, как уг) (рис. 1):

И" - -V, ■tga' -V, ■tgfi")! где 0 - расход воздуха через ступень, г-

порядковый номер ступени ротора компрессора, V скорость воздуха на входе в

рабочее колесо, -скорость воздуха на выходе из рабочего колеса, К - средний радиус рабочего колеса компрессора по высоте лопатки, в>- угловая скорость, -тангенс угла схода воздуха с выходной кромки лопаток направляющего аппарата, на входе в г-ю ступень, ^Д* - тангенс угла схода воздуха с выходной кромки лопаток рабочего колеса г'-й ступени.

Рис. 1. План скоростей в ступени компрессора

0. ~ ЛУА' = , где Р, - плотность воздуха за )'-й ступенью;

- площадь проходного сечения за /'-й ступенью. После преобразований получено соотношение:

и: =ак:а{а>к:

По условию адиабатического сжатия (рабочий процесс протекающий без теплообмена с окружающей средой), имеем: Т" Т"

„г-1 „1-1 ,где У =1,4 - показатель адиабаты; Т" - температура воздуха за ;-й

Г:

ступенью компрессора.

Из уравнения Менделеева - Клайперона давления воздуха на входе в компрессор:

„__у

~ .. р>< ° (где Л -универсальная газовая постоянная, А-молярная масса

воздуха, А -плотность воздуха на входе в компрессор, Т„ -температура воздуха на входе в двигатель), с помощью условия адиабатического сжатия найдены плотности воздуха по длине проточной части.

Использовалась система уравнений состояния потока в турбокомпрессоре ГТД:

' т;_ _ рг" р::

т:-т;= Д Г =>т:= А Г + т; 1 откуда;

ат' + т; г + дг

=> д., = р.

р; р1

Уравнение теплового баланса внутреннего контура:

, где 'Ц -температура воздуха за компрессором высокого

давления (за 7-й ступенью), ? - расход топлива, Г" - температура газа в камере сгорания, Я - энергетическая отдача топлива - диагностический параметр камеры сгорания.

При решении уравнения теплового баланса производится подбор А. таким образом , чтобы температура т"г ~ тт", т.е. измеряемой. В данном уравнении потери в камере сгорания не учитываются.

7 ¡л ' где -давление в камере сгорания, Г1 , А -

давление и плотность воздуха за компрессором высокого давления (за 7-й ступенью).

■ _ РГ

кт" ' где -плотность газа в камере сгорания, М -молярная масса

газа в камере сгорания.

Мощность, получаемая на колесе турбины, бралась из соотношения, в

котором Ч„ обозначено

КЗ.К I , а 2« »

как у2 (рис.2), тогда: А'Г = (у,' + • _ ), где в - расход воздуха через ступень, / -порядковый номер ступени, у, - скорость газа на входе в рабочее колесо, -скорость газа на выходе из рабочего колеса, К - средний радиус рабочего колеса

турбины по высоте лопатки, угловая скорость, <§<-тангенс угла схода воздуха с выходной кромки лопаток соплового аппарата ;-й ступени,

- тангенс угла схода воздуха с выходной кромки лопаток рабочего колеса ¿-й ступени.

Я ~ ~ , где р,- плотность газа на /-й ступени, 5,"- площадь

проходного сечения на /-й ступени. Следовательно:

и

Рис. 2. План скоростей ступени турбины По условию адиабатического расширения имеем:

»у да ^7*10

^ I (* 1 7*т

—77 ~ .где 5=1,3- показатель адиабаты для газа, 1, - температура газа за Р1

г-й ступенью турбины.

Давление газа на входе в турбину будет равно:

р" =~Р>Т", где К -универсальная газовая постоянная, Р. -молярная масса газа, Иг

Р, -плотность газа на входе в турбину, V -температура газа на входе в турбину. Уравнения для мощностей на валах для Д-36 будут выглядеть так:

I = 3

М" = ЛГ = X М"' _рОХОр вентилятора (1 ступень вентилятора и 3 ступени турбины вентилятора);

Л""" = 1Л7"' = И""6 .ротор низкого давления (6 ступеней КНД и 1 ступень ТВД);

Ю!** — V Л/™1 — Л7'"вd _

¿Г ' ~ -ротор высокого давления (7 ступеней КВД и 1 ступень ТВД);

Из этих уравнений находятся й - расход воздуха через внутренний контур и £?„ - расход воздуха через двигатель.

Составляются уравнения подсчёта условных КПД для каждого из компрессоров:

-Л// лг" у-1 " вентилятор (1 ступень);

11 Л'"" V-' ~ компрессор низкого давления (6 ступеней);

^ К 7Д7"** ^

^ //„' ЛГР*' / -1 " компрессор высокого давления (7 ступеней);

Составляются уравнения подсчёта условных КПД для турбин:

™ =3. 3~1

Я 3+#) ¿У - турбина вентилятора (3 ступени);

^ Я ' ДГ""°(21 - турбина компрессора низкого давления (1 ступень);

Л +д) 8 - тУрбина компрессора высокого давления (1 ступень).

Девять уравнений для ЛГ, ЛГ", А^, ?, тГ, т)", т/™, т/""", представляют собой математическую модель двигателя Д-36.

Для нормального режима работы исправного двигателя должны быть заданы Д2", Л Г'", Д7"'а - повышение температуры воздуха на ступенях компрессоров по ходу газовоздушного тракта и ЛГ" , ДТ"" , А 7""" -срабатываемый теплоперепад на ступенях турбин. Эти параметры могут быть подсчитаны.

Величины о' = <а"", ¿у""* = <а, ¿ц'*' = о""" - частоты вращения роторов и Г"""-температура газов за турбиной низкого давления измеряются штатной аппаратурой двигателя в процессе его работы. Из уравнений математической

модели находятся й, й 2 , <7 , Ц', ц", , Ч~, >Г*, Л**. Также определяются

Г1* т юа Т1 >"* Т »»«* Т ««й „ ^

, , Л , 1, , 1,, 11 , 1, по каждой ступени сжатия и расширения ( расчеты производятся на ЭВМ).

Диагностическими коэффициентами являются условные КПД: Ц', уГ, , 1", 1'", V"" , по изменению которых делается вывод о забоинах на лопатках, износе легкоприрабатываемого покрытая и пр.

Я-энергетическая отдача топлива по изменению которой можно сделать вывод (предположение) о повреждении камеры сгорания или о неисправности топливной системы (засорение топливных форсунок и т.п).

Приведены результаты, полученные при исследовании двигателей находящихся в исправном состоянии, отказавших и имеющих отклонения от технических требований.

В частности, построены диаграммы изменения диагностических коэффициентов основных узлов двигателя Д-36 ЕС1 - вентилятор, ЕС2 - КНД, ЕСЗ - КВД, ЕТЗ - ТВД, ЕТ2 - ТНД, ETI - ТВЛ. Установлены качественные критерии и закономерности их изменения, характерные для исправного двигателя и двигателя находящегося в предотказном состоянии (рис.3,4).

По результатам анализа данных диаграмм видно, что в предотказный промежуток времени, в полёте имеет место другая закономерность изменения коэффициентов ЕСЗ и ETI, отличная от исправного, находящегося в эксплуатации двигателя ( здесь возрастанию ЕСЗ соответствует убывание ETI и наоборот).

Сопоставляя информацию по данным двум двигателям (исправному и отказавшему), можно сделать предположение, что нарушение данной закономерности изменения диагностических коэффициентов ЕСЗ и ETI, является признаком приближающейся неисправности (отказа).

Установлено, что применительно к разработанной модели, основным диагностическим признаком формирования отказа является наклон тренда ЕС2 (КНД) и ЕСЗ (КВД). Для исправного двигателя является характерным положительный тренд, либо наклон близкий к нулю. Для неисправного двигателя характерен отрицательный тренд ЕС2 и ЕСЗ, причём, чем больше отрицательный тренд, тем более явным становится проявление неисправности.

Наблюдения за рядом двигателей с развивающимися неисправностями показали, что отрицательный наибольший наклон наблюдается у коэффициента ЕС2 (КНД). Это объясняется большей чувствительности ротора низкого давления к неисправностям, ведь вал низкого давления (КНД - ТНД) работает в более нестабильных условиях по сравнению с валом высокого давления (КВД - ТВД), к тому же компрессор НД создаёт большую степень повышения давления по сравнению с компрессором высокого давления и вентилятором.

Наглядными, с нашей точки зрения, могут быть диаграммы суммы ординат ЕС2 и ЕТ2, а также суммы ЕСЗ и ETI. Развитию неисправностей соответствует, как подтверждает опыт, отрицательный тренд суммы ЕС2 и ЕТ2.

Определены численные критерии оценки технического состояния двигателей Д-36 по величине и знаку угла наклона трендов ЕС2 (КНД) и ЕСЗ (КВД):

- исправное состояние: тангенс угла наклона линейного тренда

(в дальнейшем - тангенс) должен принимать положительные значения: от 0 до 0,0005, или с учётом погрешности измерений, расчётов и слабовыраженных процессов износа и старения, не оказывающих большого влияния на техническое состояние двигателя: от -0,00002 до 0,0005.

- неисправное состояние: тангенс имеет отрицательное значение: от -0,00002 и меньше. Причём, чем меньшее значение принимает тангенс, тем серьёзнее неисправность.

а)

б)

Изменение ЕС1 с наработкой

I (часы)

Изменение ЕТЗ с наработкой

{(часы)

В)

Г)

Изменение ЕС2 с наработкой

I(часы)

Изменение ЕТ2 с наработкой

0,5?

ОА

0.3

М 054

ш ОЛ

ОЛ

0,51

0.5

эм ко ас едкхошкооюхдо 1(часы)

д)

е)

Изменение ЕТ1 с наработкой

11«

1 и

ЕТ1

и*

№ ДО »СО КВ «МО СЮ 1*Л ЬЛ »300 1(часы)

Рис. 3. Диаграммы изменения диагностических коэффициентов, характерного для исправного двигателя: а-ЕС1; б-ЕТЗ; в-ЕС2; г-ЕТ2; д-ЕСЗ; е-ЕТ1.

а)

Диаграмма ЕС1

4600 4700

t (часы)

0,92 0.91 0,9

£0,89 0,88 0,87 0,86 0,85

В)

Диаграмма ЕС2

4600 4700 1 (часы)

4800

Я)

Диаграмма ЕСЗ

б)

Диаграмма ЕТЗ

4600 4700

{(часы}

Г)

Диаграмма ЕТ2

4600 4700

t (часы)

е)

Диаграмма ЕТ1

4600 4700 Цчасы)

4600 4700

t (часы)

Рис. 4. Диаграммы изменения диагностических коэффициентов, характерного для неисправного двигателя: а-ЕС1; б-ЕТЗ; В-ЕС2; Г-ЕТ2; д-ЕСЗ; е-ЕТ1.

Четвёртая глава посвящена совершенствованию методов диагностики и качества технического обслуживание двигателей Д-36 с использованием новой математической модели в условиях эксплуатационного предприятия.

Рассмотрены алгоритмы методики принятия решения при работе с применяемой в настоящее время автоматизированной системой контроля технического состояния авиадвигателей Д-36 (АСК/тс - Як-42). Описаны трудности, возникающие при определении технического состояния двигателей и пути их преодоления.

Предложены дополнительные меры повышения достоверности результатов диагностики Д-36 с использованием разработанной математической модели.

Основные результаты и выводы:

1. Обобщён опыт эксплуатации авиадвигателя Д-36. Установлены и проанализированы основные отказы, и неисправности турбокомпрессорной части двигателя и его систем, основными из которых являются повреждения рабочих лопаток компрессора и турбины (забоины, загибы, вмятины, прогары, эрозионный износ), разбандажирование лопаток вентилятора и турбины, износ и выкрашивание лепсоприрабатываемого покрытия, прогары камеры сгорания, засорение форсунок, разрушение подшипниковых узлов опор и др.

2. Проанализирована действующая документация по диагностике двигателя Д-36. Вскрыты факторы, негативно влияющие на достоверность результатов диагностики, к которым относятся, высокая трудоёмкость выполнения контроля состояния элементов проточной части (проведение смотровых работ внутренних полостей двигателя, измерение обнаруженных дефектов, документирование результатов контроля), существенные материальные и временные затраты при анализе состояния маслосистемы, систематические сбои и большие погрешности системы регистрации параметров, неприспособленность систем диагностики параметрического контроля к реальным условиям эксплуатации, факторы производственного и социального характера.

3. Разработана диагностическая модель ГТД, сформированная на базе оценки баланса мощностей турбокомпрессора , позволяющая делать оценку состояния основных узлов двигателя на основе чувствительности ее параметров.

4. Предложен новый подход к оценке состояния авиадвигателя Д-36, основанный на анализе поведения диагностических коэффициентов, полученных из уравнений баланса мощностей на валах при установившемся режиме работы ГТД.

5. Произведена апробация разработанной модели на практике при ТО и Р, которая подтвердила ее способность выявлять большинство предотказных состояний двигателя Д-36, вызванных недопустимыми повреждениями и износом элементов проточной части, неисправностями камеры сгорания, разрушением элементов конструкции двигателя ( трещины корпуса, валов и др.), частичная потеря работоспособности клапанов перепуска воздуха (негерметичность магистралей отбора воздуха) и др.

6. Разработаны рекомендации по использованию предложенного метода диагностики при технической эксплуатации авиадвигателей Д-36, которые сводятся к следующим основным этапам:

- систематизированный сбор и обработка полётной информации из полётных карт;

- выполнение расчёта параметров модели турбокомпрессора и определение трендов диагностических коэффициентов, связанных с состоянием узлов двигателя;

- классификация взаимосвязей характера трендов с неисправностями двигателей;

- создание массива поступающих и накопленных данных для уточнения характера формирующегося отказа и связи с положением трендов.

Достоинством данного метода является чёткая алгоритмизация и возможность осуществления диагностирования ГТД в условиях проведения работ по техническому обслуживанию по сравнению с действующими в настоящее время методиками, большая достоверность результатов, а также возможность автоматизации принятия решений.

Публикации:

Основные положения диссертации представлены следующими публикациями, в изданиях рекомендованных ВАК для публикации материалов диссертационных работ:

1. Бунякин A.B., Торбеев С.А. Диагностика проточной части авиационных ГТД на примере ТРДД Д-36. Научный вестник МГТУ ГА № 109, серия «Эксплуатация воздушного транспорта», М.: МГТУ ГА, 2006, -с. 30-37.

2. Бунякин AB., Торбеев С.А. Диагностирование ТРДД Д-Зб с использованием новой математической модели. Научный вестник МГТУ ГА № 109, серия «Эксплуатация воздушного транспорта», М.: МГТУ ГА, 2006, -с. 38-43.

3. Торбеев С.А. Применение алгоритма диагностирования проточной части для анализа технического состояния ТРДД Д-36. Научный вестник МГТУ ГА 123, серия «Эксплуатация воздушного транспорта», М.: МГТУ ГА, 2007с. 94-97

Соискатель:

/Торбеев С .А./

Подписано в печать 28.10.08г. Печать офсетная Формат 60x84/16 0,93 уч.-изд. л. 1,0 усл.печл._Заказ № 677/ _Тираж 80 экз.

Московский государственный технический университет ГА 125933 Москва, Кронштадтский бульвар, д. 20 Редакционно-издательский отдел 125493 Москва, ул. Пулковская, д 6а

О Московский государственный технический университет ГА, 2008

ВВЕДЕНИЕ.

1. Обобщение опыта эксплуатации двигателя Д-36 в гражданской авиации.

1.1. Особенности ТРД трёхвальных схем и их технического обслуживания, на примере ТРДД Д-36.

1.2. Статистический анализ отказов и неисправностей авиадвигателей Д-36.

1.3. Основные узлы, ответственные за техническое состояние двигателя Д-36.

1.4. Авиационный двигатель Д-36 как объект диагностики.

Выводы по главе 1.

2. Совершенствование методов диагностирования технического состояния авиадвигателя Д-36 по термогазодинамическим параметрам.

2.1. Существующие подходы в оценке состояния газотурбинных двигателей по уровню термогазодинамических параметров при техническом обслуживании и ремонте.

2.2. Применение параметрических методов контроля в процессе эксплуатациивигателяД-36.

2.3. Использование математических моделей для определения технического состояния авиационных ГТД.

2.4. Совершенствование методов диагностики двигателя Д-36 по термогазодинамическим параметрам в процессе эксплуатации и ремонта с применением новой математической модели.

Выводы по главе 2.

3. Оценка состояния двигателей Д-36 с использованием математической модели.

3.1. Алгоритм диагностирования проточной части двигателя Д-36.

3.2. Результаты обработки параметрической информации двигателей

Д-36 с использованием математической модели.

Выводы по главе 3.

4. Применение математической модели для совершенствования диагностики двигателей Д-36 в условиях эксплуатационного предприятия.

4.1. Методика принятия решения о техническом состоянии двигателя.

4.2. Предложения по совершенствованию параметрической диагностики авиадвигателей в условиях эксплуатационных предприятий.

Выводы по главе 4.

Современной тенденцией в развитии авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) является повышение параметров рабочего процесса температуры газов до 1600-1800°, степени повышения давления як до 30 и выше). Это приводит к повышению топливной экономичности и тяговой эффективности двигателей, однако одновременно сопровождается повышением их стоимости и сложности конструкции. Поэтому экономически оправданной необходимостью является обеспечение полного исчерпания ресурсных возможностей. Для достижения этого требуется разработка систем объективного контроля технического состояния каждого двигателя, его систем, жизненно важных узлов и агрегатов.

Как показывает опыт эксплуатации современных двигателей, около 50% прямых эксплуатационных расходов составляют расходы на техническое обслуживание и ремонт (ТО и Р).

Снижение расходов на обслуживание является одной из важнейших задач организаций по ТО и Р. Здесь большую роль играет разработка и внедрение современных и высокочувствительных систем технической диагностики, позволяющих на ранней стадии обнаружить появление и развитие неисправностей, что позволит проводить работы по ТО и Р в соответствии с фактическим и прогнозируемым техническим состоянием ГТД.

На систему диагностики возлагается и другая важная задача -обеспечение требуемого уровня безопасности полётов, предупреждение отказов авиационной техники в эксплуатации. Отказ авиационного ГТД приводит к снижению безопасности полёта, усложнению условий полёта, снижению запаса резервных возможностей для благополучного завершения полёта. Особенно опасные последствия вызывает отказ двигателя, сопровождаемый нелокализованным разрушением роторов. Такие разрушения всегда приводят к авиационным инцидентам, иногда с тяжёлыми последствиями социального и экономического характера.

Подобные отказы внешне воспринимаются, как внезапные и случайные. Техническая диагностика является областью знаний, исследующей техническое состояние объектов диагностирования и проявление этих состояний. Задача технической диагностики, как науки состоит в том, чтобы изучить природу отказов, выявить параметры двигателя, отражающие процесс развития неисправности до её критического уровня, построить систему контроля и прогнозирования этих параметров, найти способы внедрить её в существующую систему ТО и Р.

Особое место в проблеме обеспечения безопасности полётов занимают вопросы достоверности диагностирования. Действительно, надёжность существующих систем контроля не превышает надёжности . самих авиационных ГТД. Данное обстоятельство приводит к тому, что отказ системы контроля воспринимается, как отказ двигателя, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Поэтому разработка методов обеспечения максимальной достоверности диагностирования является необходимым условием достижения его высокой эффективности.

Перспективы развития систем диагностики авиационных ГТД связаны с разработкой новых методов и средств раннего предупреждения таких развивающихся неисправностей, которые в существующей системе технической эксплуатации приводят к внезапным отказам. Предусматривается широкая автоматизация процессов диагностирования в реальном масштабе времени (непосредственно в полёте), интеграция систем диагностики и автоматического управления ГТД.

Диагностика по термогазодинамическим параметрам является составной частью технической диагностики ГТД. Интенсивное развитие, которое получила в настоящее время параметрическая диагностика, объясняется её преимуществами при диагностировании машин и механизмов непрерывного действия. В её основе лежит подтверждённая гипотеза о том, что термогазодинамические параметры несут в себе информацию о состоянии двигателя в целом и состоянии отдельных его узлов и агрегатов. Тем самым, подвергнув параметры работы двигателя соответствующей обработке, молено получить закономерности их изменения.

При изменении состоянии двигателя закономерности будут нарушаться и будет возможность определить начало развития неисправности. Поэтому в общем виде, параметрическая диагностика сводится к наблюдению за изменением параметров работы двигателей при их эксплуатации и сравнении их с эталонными характеристиками.

Известны труды ряда учёных и специалистов, которые решали и решают задачи повышения эффективности технической диагностики ГТД и термогазодинамической диагностики в частности. Это такие известные специалисты, как A.M. Ахмедзянов, Н.Г. Дубравский , А.П. Тунаков, И.В. Кеба, С.Г. Гершман, В.И. Поварков, М.А. Алабин, В.В. Голубев, Ю.М. Алабин и др. [1,2,10,14,16,20,27].

Тем не менее, в этом направлении не все вопросы решены до конца. Современные условия эксплуатации диктуют необходимость разрабатывать новые и дополнять уже имеющиеся способы и методы диагностики и оценки технического состояния.

Данная работа посвящена разработке методов повышения эффективности параметрической диагностики одного из важнейших типов роторных динамических машин - авиационных двигателей.

В качестве таких методов рассмотрены методы обработки параметрической информации с использованием математических моделей для получения данных, которые позволят адекватно оценить техническое состояние объекта на данном промежутке времени.

Диссертационная работа базируется на теоретических и экспериментальных исследованиях, проведённых лично автором в реальных условиях эксплуатации авиадвигателей Д-36 в АТБ ОАО «Авиационные линии Кубани».

Ниже приводится краткая характеристика цели, задач, основных результатов и содержания диссертационной работы.

Цель работы - повышение достоверности диагностики авиадвигателей в условиях эксплуатации с минимальными затратами времени и труда на основе применения новых методов и критериев оценки их состояния.

Главными задачами исследований явились:

- анализ существующих методов и средств диагностики авиадвигателей Д-36 применяемых в настоящее время при их эксплуатации;

- анализ работ по техническому обслуживанию двигателей Д-36 в целом и работ по контролю его состояния в частности;

- анализ отказов, неисправностей, повреждений авиадвигателей Д-36 в эксплуатации и причин их возникновения;

- выявление «слабых мест» конструкции двигателей Д-36;

- разработка новых подходов для совершенствования диагностики авиадвигателей в процессе эксплуатации, основанных на анализе параметрической информации, регистрируемых штатной аппаратурой самолёта.

Методы исследования, В работе использовались статистические, аналитические методы классификации и идентификации состояний объектов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- проанализированы результаты обобщения опыта эксплуатации авиадвигателей Д-36 и выявлены факторы, затрудняющие объективную оценку технического состояния ГТД при техническом обслуживании.;

- разработана новая диагностическая модель двигателя Д-36, отличающаяся возможностью реализации в производственных условиях и базирующаяся на установлении взаимосвязи между термогазодинамическими параметрами и параметрами окружающей среды.

- получены результаты идентификации различных состояний двигателей Д-36, эксплуатируемых на самолётах Як-42 в авиакомпании «Авиационные линии Кубани».

- уточнены диагностические решения состояния турбокомпрессорной части эксплуатируемых ГТД, полученные в условиях эксплуатации с использованием штатных средств обработки параметрической информации.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе полученных результатов можно:

- повысить правильность и достоверность диагностических решений при оценке состояния ГТД в условиях эксплуатации, тем самым повысить качество технического обслуживания ВС ГА;

- снизить временные и непроизводительные затраты, связанные с осуществлением поиска «адреса» дефекта и причин его появления;

- повысить уровень безопасности полётов.

Апробация работы

Результаты выполненных исследований докладывались и получили положительную оценку на научно - технических конференциях «Гражданская авиация на современном этапе развития науки и техники» и семинарах. Всего было сделано 5 научных докладов.

Разработанный метод диагностики авиадвигателей Д-36 получил применение при формировании диагностических решений при техническом обслуживании, о чём имеется соответствующий акт внедрения от ОАО «Авиационные линии Кубани».

Публикации.

По материалам диссертационных исследований опубликованы 3 научные статьи (в соавторстве и единолично) в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных исследований.

Структура и объём диссертационной работы.

Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников. Основная часть работы изложена на 139 стр. машинописного текста, содержит 59 рисунков, 4 таблицы и 31 библиографическое название. Общий объём работы 142 страницы.

Автор выражает признательность коллективу кафедры ТЭЛА Московского государственного технического университета гражданской авиации, научному руководителю д.т.н., профессору В.А. Пивоварову, за оказанную помощь и конструктивные замечания в ходе выполнения и оформления данной диссертационной работы.

Выводы по главе 4

1. Рассмотрен алгоритм принятия решений о техническом состоянии авиадвигателей Д-36, при работе с автоматизированной системой

АСК/тс Як-42. Показано, что данная методика требует при работе с ней таких действий специалиста, которые трудно поддаются алгоритмизации.

2. Предложены мероприятия по совершенствованию применяемой системы параметрической диагностики.

3. Предложены мероприятия по совершенствованию диагностики авиадвигателей с использованием разработанной модели.

4. Разработанная в данной работе методика алгоритмизируется гораздо проще, что позволяет в перспективе добиться полной автоматизации принятия решений.

Заключение по результатам диссертационной работы

1. Обобщён опыт эксплуатации авиадвигателя Д-36. Установлены и проанализированы основные отказы, и неисправности турбокомпрессорной части двигателя и его систем, основными из которых являются повреждения рабочих лопаток компрессора и турбины (забоины, загибы, вмятины, прогары, эрозионный износ), разбандажирование лопаток вентилятора и турбины, износ и выкрашивание легкоприрабатываемого покрытия, прогары камеры сгорания, засорение форсунок, разрушение подшипниковых узлов опор и др.

2. Проанализирована действующая документация по диагностике двигателя

Д-36. Вскрыты факторы, негативно влияющие на достоверность результатов диагностики, к которым относятся, высокая трудоёмкость выполнения контроля состояния элементов проточной части (проведение смотровых работ внутренних полостей двигателя, измерение обнаруженных дефектов, документирование результатов контроля), существенные материальные и временные затраты при анализе состояния маслосистемы, систематические сбои и большие погрешности системы регистрации параметров, неприспособленность систем диагностики параметрического контроля к реальным условиям эксплуатации, факторы производственного и социального характера.

3. Разработана диагностическая модель ГТД, сформированная на базе оценки баланса мощностей турбокомпрессора , позволяющая делать оценку состояния основных узлов двигателя на основе чувствительности ее параметров.

4. Предложен новый подход к оценке состояния авиадвигателя Д-36, основанный на анализе поведения диагностических коэффициентов, полученных из уравнений баланса мощностей на валах при установившемся режиме работы ГТД.

5. Произведена апробация разработанной модели на практике при ТО и Р, которая подтвердила ее способность выявлять большинство лредотказных состояний двигателя Д-36, вызванных недопустимыми повреждениями и износом элементов проточной части, неисправностями камеры сгорания, разрушением элементов конструкции двигателя ( трещины корпуса, валов и др.), частичная потеря работоспособности клапанов перепуска воздуха (негерметичность магистралей отбора воздуха) и др.

6. Разработаны рекомендации по использованию предложенного метода диагностики при технической эксплуатации авиадвигателей Д-36, которые сводятся к следующим основным этапам:

- систематизированный сбор и обработка полётной информации из полётных карт;

- выполнение расчёта параметров модели турбокомпрессора и определение трендов диагностических коэффициентов, связанных с состоянием узлов двигателя;

- классификация взаимосвязей характера трендов с неисправностями двигателей;

- создание массива поступающих и накопленных данных для уточнения характера формирующегося отказа и связи с положением трендов.

Достоинством данного метода является чёткая алгоритмизация и возможность осуществления диагностирования ГТД в условиях проведения работ по техническому обслуживанию по сравнению с действующими в настоящее время методиками, большая достоверность результатов, а также возможность автоматизации принятия решений.

1. Алабин М.А., Голубев В.В., Алабин Ю.М. Контроль и поддержание качества турбореактивных двигателей при производстве и эксплуатации. — М.: АСЦ ГосНИИГА, 2002. - 128 с.

2. Ахмедзянов A.M., Дубравский Н.Г., Тунаков А.П. Диагностика состояния ВРД по термогазодинамическим параметрам. — М.: Машиностроение, 1983. -206 с.

3. Барзилович Е.Е., Воскобоев В.Ф. Эксплуатация авиационных систем по состоянию. -М.: Транспорт. 1981, 197 с.

4. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с англ. М.: Мир, 1974. 464 с.

5. Биргер И.А., Шорр Б.Ф. Динамика авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1981. 232 с.

6. Болотин В.В. Прогнозирование ресурсов машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984. —312 с.

7. Бунякин A.B., Торбеев С.А. Диагностика проточной части авиационных ГТД на примере ТРДД Д-36. Научный вестник МГТУ ГА № 109, серия «Эксплуатация воздушного транспорта», М.: МГТУ ГА, 2006, -с. 30-37.

8. Бунякин A.B., Торбеев С.А. Диагностирование ТРДД Д-36 с использованием новой математической модели. Научный вестник МГТУ ГА № 109, серия «Эксплуатация воздушного транспорта», М.: МГТУ ГА, 2006, -с. 38-43.

9. Гершман С.Г., Поварков В.И., Дубравский Н.Г. Изучение изменений сигналов авиационного двигателя при обрыве лопатки турбины. «Морское приборостроение. Сер. Акустика», 1973, вып. 3.

10. Кеба И.В. Диагностика авиационных газотурбинных двигателей.- М.: Транспорт, 1980. 248 с.

11. Кесаев Х.В., Трофимов P.C. Надёжность двигателей летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1982. - 136 с.

12. Кулагин И.И. Теория авиационных газотурбинных двигателей,- М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1955. 407с.

13. Кунина П.С., Павленко П.П., Бунякин A.B. Анализ технического состояния центробежных нагнетателей по термогазодинамическим параметрам. Ростов-на-Дону: Издательство Ростовского университета, 2002.-206 с.

14. Лозицкий Л.П., Янко А.К., Лапшов В.Ф. Оценка технического состояния авиационных ГТД. -М.: Транспорт, 1982. —160 с.

15. Малышев A.C. Методика проведения анализа полётной информации МСРП-64 Самолёта Як-42 с использованием наземной системы обработки на базе персонального компьютера. М.: ГосНИИ ГА, 2002. 61с.

16. Мозгалевский A.B., Гаскаров Д.Е. Техническая диагностика. М.: Высшая школа, 1976.

17. Мозгалевский A.B., Калягин Е.П. Системы диагностирования судового оборудования. Л.: Судостроение, 1982.

18. Папок К.К. Нагары в реактивных двигателях. М.: Транспорт, 1971. -326 с.

19. Сиротин H.H., Коровкин Ю.М. Техническая диагностика авиационных газотурбинных двигателей. — М.: Машиностроение,1979.-272с.

20. Сиротин H.H. Конструкция и эксплуатация, повреждаемость и работоспособность газотурбинных двигателей. — М.: РИА «ИМИНФОРМ», 2002.-442 с.

21. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. М.: Наука, 1969. -511с.

22. Тойбер М.Л. Электронные системы контроля и диагностики силовых установок. М.: Воздушный транспорт. - 336 с.

23. Торбеев С.А. Применение алгоритма диагностирования проточной части для анализа технического состояния ТРДД Д-36. Научный вестник МГТУ ГА № , серия «Эксплуатация воздушного транспорта», М.: МГТУ ГА, 2007 (в печати).

24. Хенли Д., Кумамото X. Надёжность технических систем и оценка риска. М.: Мир, 1987. - 528 с.

25. Чуев Ю.В., Михайлов Ю.Б., Кузьмин В.И. Прогнозирование количественных характеристик процессов. М.: Советское радио, 1975. 400с.

26. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. М.: Мир, 1975.-688с.

27. Ямпольский В.И., Белоконь Н.И., Пилипосян Б.Н. Контроль и диагностирование гражданской авиационной техники. М.: Транспорт, 1990. - 182 с.

28. Трёхвальный ТРДД Д-36. Руководство по технической эксплуатации.

29. Регламент технического обслуживания самолёта Як-42.

30. Методика автоматизированной системы контроля технического состояния двигателя Д-36 самолетов Як-42 по данным бортового регистратора (АСКУТС-Як42). М. 1995.

31. Трёхвальный ТРДД Д-36. Методика оценки технического состояния двигателя по измеряемым в полёте параметрам.- М.