автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Методы параметрического диагностирования и послеремонтной доводки авиационных ГТД с применением математического моделирования



МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА. РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДЕПАРТАМЕНТ ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЩНСКОЛ АВИАЦИИ

На правах рукописи

МИХНЕНКОВ Лов Владимирович

УДК 621.45.018

МЕТОДЫ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ И ПОСЯЕРНМОНТНОЙ ДОВОДКИ АВИАЦИОННЫХ ГТД С ПРИМЕНЕНИЕМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

("Специальность :05.22. М - эксплуатация воздушого транспорта.)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1994

Работа выполнена в Московском Государственном техническом ^ушвврситам^г^авдтотой авиации.

Научний консультант - Академик Русской Академии, Заслутошш® деятель науки и техники РФ, Лауреат прзюга Ш Рв, доктор технических ваук, профессор В .П. "Фролов (г .Москва) Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор В.Н. Писарев (г.Москва) доктор твшачэских наук, профессор Ю.п, Тихомиров (г.Ыосква) доктор технических наук, профессор В'.И. Ямпольский (г.Москва) Ведущая организация - Рыбинский финал АО "Авиадвигатель"

12 А Ч

Защита диссертации состоится -/ Г994г. на заседании

стецаадазироваВного Совета Д.ОТ2.05.01. Московского государственного технического университета гражданской авиации по адресу: 125838, Москва, Кронштадтский бульвар 20, МГГУ ГА.

О диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке ЫГГУ ГА

Автореферат разослан ____ 1994г.

УЧеяый секретарь специализированного совета

д.т.я., профессор > - С.К.Камзолов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Одной из основных причин недостаточной эффективности использования авиационной техники (AT) на эксплуа ционшх предприятиях ГА является 08 простой, связанный с отсутствием погребного количества пригодных к эксплуатации двигателей (до 70S от общего числа причин), что вызывается старением их парка, несоответствием современным требованиям по ресурсу, отсутствием необходимого количеств? запчастей, недостаточной пропускной способностью ремонтных заводов и др.

Большое ¡значение при рваеиия данной задачи имеет сокращение сроков перехода от планово-предупредительной скотомы (ППС) технического обслуживания и ремонта (ТО и Р), действующей в настоящее время на большинстве предприятиях ГА, к ТО я Р по состоянию, что, в свой очередь, требует анализа работа ВРД как в полете, так и поело него, накопления » хранения информации, прогнозирования возмэеностя дальпейаеЯ безопасной 8ксплуатащга двигателя, локализации основных неисправностей и определения стратегии последутаего ремонта ГТД.

У вновь создаваемых двигателей некоторые из этих Фугюций возлагаются на бортовую систем контроля и диагностики (БСКД). которая в настоящее время в силу специфических условий эе работы не может обеспечить достаточно точного и надежного диагноза технического состояния (ТС) двигателя (ограниченные возможности работа бортовых ЭВМ, широкий диапазон работа двигателя в полете, отсутствие измерения тяги, расхода воздуха и некоторых других ваюшх параметров и т.д.). Наиболее благоприятным является сочетание БСКД с работой наземного аэродромного диагностического комплекса (АДК), который лизан указанных недостатков.

Необходимость создания таких комплексов связана твкяе и с тем, что в настоящей время эксплуатируется и в ближайшие 10+16 лет будет находиться в эксплуатации большой парк двигателей, не имеющих БСКД.

Актуальность данной работы состоит в том, что она посвящена решению и научно-техническому обоснованию основных вопросов, связанных с созданием АДК и БСКД, пароходом к ТО и Р авиадвигателей по состоянии, а также разработке и практическому применению современных методов ремонта ГТД.

Большой вклад в решение пройлэм, рассматриваемых в диссертация внесли своими работами; Ахме?зяноа A.M., Алексеев Л.П., Алабин Ы.А., ДобрянскиЕ Г.В., ЛуОразский Н.Г., КоОа И.В.» Коняев Е.А., Кулик Н.С., Лозицкей Л.П., Яадапш С.Ф., Ыокроус У.®., Никитин В.И., Тунзкоа ¿.П., «ролов В.П., Чэркез А.Я., Чуян Р.К., Шэпвль В.Т., Яадольский В.И., Янко А.К. и другие ученые.

Цель работа - продление ресурса авиационных двигателей, оптимизация их ремонта и обеспечение безопасности полетов путем проведения теоретических и шзгериыенталъиых исследований процесса определения технического состояния ГТД. а таккэ его последувдего восотановления в условиях авиадредприятия ГА.

Для достижения поогавлшюй целя была проведена работа по сладущим основным направлениям;

построение теоретшеской модели ГГД, находящегося в процессе эксплуатации;

раочагно - экспериментальной ксследовшие воздействия вакото-ршс факторов на измавеивэ основных параметров двигателя;

иденги^яцая. математическая модели (!<&) донгателя ДЗОКУ (IOT); разработка математической модели ремонтного двигателя; расчэтно - экспериментальное исследование вляянак изменения проходам плоаддэй н некоторых других, геометрнческих параштроз проточной части на осдавше даадщв двигателя;

разработка отташзационного метода доюдаи ремонтных двигателей; разработка пароме трете ского метода диагностирования состояния ГГД ва основа его статеской и динамической математических моделей; разработка программного обеспечения расчетов на ПЭВМ; анализ возмояюста создания яародромюго диагностического комплекса для опрэделашя технического состояния авиадвигателей в условиях 8кснлуатедив;-"Ч-"

Ца . защиту внносстея совокупность научных к практических шлояений, декадах в основе решения проблемы диагност®« соотояния ВРД по термогазодшнзетшскЕМ параметрам, а именно:

ыетод оптимизация послереконтаой доводка двигателя да)КУ{КП); результата расчетно-эксперииентальнога исследования влияния основных воздействующие факторов вз признаки состояния двигателя ДЗОКУ(КП); ■

методика ' локализации дефектов л определения технического

s

состояния ВРЯ по термогвзодинймическим параметрам на установившемся в переходном режимах;

метод сглаживания погрешностей измерений и неточности ММ с использованием параллельных матриц;

метод ort, деления расхода воздуха через двигатель в вэродром-ннх условиях путем измерения динамического напора газового потока;

результата анализа возможности создания аэродромного диагностического комплекса по определении технического состояния овиациошшх двигателей и технические требования К нему.

Научная новизна работа состоят в том, что в ней впервые: обоснована необходимость и технологическая возмоягооть создания п настоящее премк мооклъюго диагаостического комплекса для осуществления стратегии обслукиЕ-игая авиадвигателей по техническому состоянию, локализации их дефэктов и определений направления последувдх ремонтт-восстзноБкгольных работ;

разработан оптнмизащюшшЛ метод поолэремонтной доводка двигатолой типа/ЕЗОКУ(КП);

разработан метод, существенно умзйьшавдий влияние - шибок измерения- на результаты дивгаоза технического состояния ГТД, осчованннй па свойствах параллельных матриц;

разработаны метода . локализации дефектов двигателя, использующие его статические к динамические характеристики;

предложен метод измерения расхода воздуха через двигатель при помоги измерителя скоростного напора газового потока.

Практическая значимость работа состоят в том, что использование ее результатов позволяет: ■

■ увеличить махремонттФ ресурс двигателей за счет практического осуществления их Експлуаташст по состоянии;

уменьшить расхода но эксплуатзшз путем увеличения межрекоят-кого ресурса;

уменьшить расходы ' на рэмоятш-восстпяовительнш работы за счет int целенаправленного проведения, сокращения ремонтного цикла и количества возвращаемых двлтателеа после контрольно-сдаточшх кстпйпиЯ;

повысить регулярность полетов и эффективность использования авиационной техники путем увеличения наделиоста работа силовой установки;

сформулировать технические требования х аэродромному диагностическому комплексу;

применить разработанные ММ и метода диагностирования при проектирования бортовой системы определения технического состояния авиадвигателей; -

применить суигствувдуп конструкции измерителя тяги для измерения расхода войдуха.

Апробация результатов работы проводилась в форма участия в различного рода конфаренциях, еегдааэрах, симпозиумах' в т.д. Материалы исследований докладывались: па межотраслевой научно-технической конференции "Ошт применения и перспективы развития диагностики состоялся авиадвигателей в эксплуатации" (ЦКАМ, 1984г.), конференциям по проблема;« совершенствования эксплуатации пчиацйонпой техники (ШШГА., 1565, 1993г.), научно-практической конференции департамента воздушного транспорта (1992г,), научно-тэпдаеском совате отдела двигателей ГосКШГА (Х982-198бгг.), научных семинарах к&Цэдр апяационша двигателей и ремонта летательных аппаратов и авиадагателзй ММИГА (1532-19э3гг.), конструкции авиадвигателей ВША (1993г,), ГОСНКй ЭРАТ ВВС (1993г.).

Внедтмика результатов работы, получашшх в вида теоретических положений, экспорккзнталъшх и расчетных данных., научных обобщений и методов, технических требований к предложений, математических моделей и др..осуществлено в форлз рекомендаций я методик по совершенствованию технологии испытаний и доводки ремонтных двигателей, утвержденных ГУГЭРАТ ИГА, департаментом ВТ, АРЗ У 400, Рыбинским филиалом АО "Авиадвигатель" и др.

Матодака оптимизации доводка ремонтных двигателей' принята к реализации яа заводе Я 400 ГА.

Компания "Авиасервис" проявила заинтересованность в техническом осуществлении предложений по созданию аэродромного диагностического комплекса, вклгчапцэго в себя разработки, содержащиеся в диссертации.

На НИС завода Я 400 проходит втап отладки автоматизированная система сбора а обработки информации, в которую включены программа по локализации дефектов ГТД, разработанные автором.

По материалам диссертации опубликовано 22 печатные работы.

Структурно ' диссертация состоит из, введения, вести разделов.

заключения, списка использовпнннх источников и приложений. общий объем составляет страниц. 8 рисунков. 102 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Одним из сторхневнх вопросов создания современных систем диагностики ТС АЛ является разработка его Ш.

В первом разделе рассмотрено состояние вопроса и, используя деду«.гитшый подход к реиешш золами, построена линейная №4 авиационного ГТД обобщенной схемы.

По своей сути мзмопенив топического состояния двигателя в процоссе экспл,атвции есть малые отклонения его параметров (как правило, в пределах 5*7$) от исходных, зарегистрированных при приемо-сдаточных испыташях нового двигателя. Поэтому для определенного тестового рэяша ого работы естественно использование линейной Ш, устанешшввищой связь мовду малыми отклонениями параметров, а не между самими параметрами, Главным ее достоинством является то, что ретанио линейной модели может быть представлено в вяде явной аналитической зависимости, допускающей исследование в обеем виде. Она допускает также возможность учета изменения характеристик основных узлов двигателя в процоссе его эксплуатации и достаточно просто идентифицируется.

Перспективным язлявтся сочетание линейной и нелинейной модели в единую систему, расширяющую диапазон применения первой и возможности второй.

Обобщенная схема представляет собой трохвальиый ТРДД с подпорными ступенями вентилятора я смепонием потоков в общем реактивном сопле. Путем исключения покоторых уравнений или приравнивания нулю ряда коэффициентов мохио привести указанную схему к виду, соответствуют му любому типу ВРД, получившему наибольшее распространение в ГА. Это обстоятельство делает возможным разработку угаверсалыюй программы расчета на ЭВЫ Ш авиационных двигателей, представлявши собой варианты обобщенной схемы.

Ш устанавливает связь между параметрами, характеризующими состояние двигателя, а также реким его работа (факторами) и признаками состояния (откликами). Первые являются независимыми, о

вторые - зависимыми пере манными, к факторам относятся КПД узлоа, проходные сечения, коэффициента герметичности и сохранения полного давлешя, рехимдие параметры (текла км частота вращения и число и полете), а также параметра окрулавдзй среда. Осталыша тврмогазоданамические параметры двигателя моию отнести к разряду откликов.

Линеаризированная система уравнений сохранения, расхода, баланса работ, термодинамических процессов и некоторых других представляет собой КЫ ГТД и мокэт бить записана в следующем виде

Е Я 2 ьлбу1

око

сз «1,2...«о

Здесь

Си - относительное изменение ьеличшш откликов; Су - относительное измопанш валачшщ факторов; к - число откликов; ы - число уравнений; п - число параметров, входила в модель; - соответственно номера перакоаной и ураышдш; л,ь - постоянные коаКидаепти ярз торашгаш. Реввт» приведенной выше Ш, зшшаотсп тш;

6*.} « £

где

—щ— ковф1яцязвта шгаяшм Ш, пгоазываэдие

несколько чувствителен данный признак состояния к изменении соотвототаущего паршатра состояпил.

В работа подучена формула дол расчэта коэ^&щкоптоз ШЛ »л» п , а также составлена программа расчета Ш па ИЗВИ. Показано, как трансформируется об^ая система урпвпэтш для наиболее распросрзиашшх схеи АД.

82 втором раздала приводятся материалы расчвтно-зксперимен-тального исследования ММ двигателей семейства ДЗО.

Модель строилась для взлетного и земного номинального рекимов работа среднестатистического двигателя ДЗОКУ(КП). Поскольку в зависимости от условий поставленной аадачи в качестве режимных можно выбирать различные параметра, при расчете коэф}юциентов за токовые последовательно принимались частоты вращения роторов високого н низкого даплэтш, тяга и часовой рэсход топлива, т.о. Г», Ы, Р Я Ст.

Результата расчетов WJ представленн в виде таблиц г.овф2ицпоптоп аккшпя.

Таблтаи даьт возможность подробно проанализировать влияние различнее факторов пп освовпкэ парзматры состояния двигателя. Прослодам это плппше, гаорав в квчестае рентного фактора ги. Приводеплт н иодом фяггора пояно подразделить на пять групп, талзлагпшх отпоситедише язкопепия проходных площадей CP, КДД узлов Ст), кокМкцпептоз геркзггшостн 0<j п сохранения полного давления flo, a T31CS9 группу ртивдш фзктсров а данном случав 0п», ОРн и СТя. Здась Гп и Тп - дававши и температура окружаюссп среда.

Влпппка вгчэшш проходе гс плоцэдай первых сопловых аппаратов гурбгст кисотаго (ТЕЛ) п ¡такого (ТВД) давлзшя Рта н Рта имеет, как правило прогшзсгшштш енски. Прнчои воздэйсгвто Рта существеннее, чем Ргл. в большинства случаев уданьшшшо Ргв приводит к умоньвенив признаков состояния дшгатояя.. Шлшпгтю составляют лишь давление ва компрессором Fr? и ск-тшъ тшгсашя яашшяя в ТЗД % тв, которая ЦП рт?!ГШЗ!Ш Ргв ВСЗраСТаОТ.

Состотжз гагкгагаля го многом зэиигат от КПД осповпнх ого узлеп. Кечэстоэтто рзататш отклики ГГД из отаоептелькоо пгмапеиив КГЩ узглз турбстгоифоссороо вязкого и succsoro давления (От)яд и Опзд). D то за время коафЭмямпа шишиг Ctj узлов одного я того se ротора слетают! íarrectusnm) я ctóimn количзствэкда. однозначно ¡зсздейсш» кз szvae устоЯчиЕОста работа вентилятора п когорэесорэ, а тавэ па уетякий расход шиша Сг.

Уодзеягэ лохпэтз сгсркш т?г сжшпаотся лишь па роста с* и От Отбор (уточка) воздуха (отряцзтояьгшо значения Cty) из пяутшшэго шпура Оф. приводят, а оспошоп, к повишоняя уроотл •кктзрэтура газоа а рзеходэ тошотэ. Тяга прл вточ пздазт. Так как

io

о увеличением отбора степень дросселирования потока ее компрессором падает, то а то вызывает уменьшение Рк и увеличивает запас его устойчивости.

Влияние перетачки воздуха из внутреннего контура в наружный Oq» во многом совпадает с влиянием Ctq*. Отличив заключается в большем воздействии 0qt на расход воздуха и запас устойчивости вентилятора.

Значительна зависимость параметров термодинамического цикла а двигателе от изменения отбора йоздуха на охлзздедае. Однако величина этих изменений в процессе эксплуатации невелика и их влиянием обычно пренебрегают.

Утечки воздуха из второго контура относительно слабо сказываются ва работе двигателя ввиду малости ковффициентов влияния 0q> на его параметр!.

Воздействие различного рода коэффициентов сохранения полного давления о связано о изменением степени дросселирования потока в различных сечениях проточной части двигателя.

Коэффициенты влияния Чпя представляют собой дроссельную характеристику двигателя в окрестности точки, соответствупаей данному режиму.

Проведанный анализ показывает, что полученная модель двигателя качественно правильно отражает процессы, происходящие в его проточной части. Количественное сопоставление приводится ниже.

Поскольку остальные матрицы кошйшшвнтов влияния получены путем решения одной и той жэ модели, то дополнительного доказательства их качественной справедливости не требуется.

Очевидно, что вкспериментально проверить всю таблицу коэффициентов влияния по техническим соображениям не представляется возможным. Однако, равнение некоторых групп этих коэф£нциантов о их значениями, полученными экспериментально, позволяет косвенно судить о<3 адекватности всей модели двигателя.

О цель» такой вксшрименталыгай проверки были проведены исследован»я для определения влияния отбора воздуха из-за компрессора на основные его параметры.

Средние значения коэффициентов влияния, полученные экспериментальным путем, приведены в таблице I. Там же для сравнения приведена расчетные значения коэффициентов. Здесь и далее Рв, Рк,

Рт, а также ТВ , Тк , Тт - давление я температура соответственно ей вентилятором, компрессором и турбиной.

Из таблицы видно, что расчетные и вкспериментальннв знотвяим коаМициентов влияния как качественно, так и количественно хорош совпадают.

Таблица 5.

Сравнение расчетных п 8кспбримвнтллышх значений коэйяцяентов влияния 0<?« нз параметры двигателя ДЗОКУ(КП) (номинальный раким)

Коэ$фщкенгы влияния <?«

ОР ОСТ ЙП1 СТт СРк

вксдар. 0,66 -i.se 0 -1,0 0,74

расчета. 0,45 -0,99 0,0? -о,вз 0,6

Результаты обработют большого количества экспериментальных каторяалов по влияли» язюгавакя частота врадания г» приведены в таблице 2. Б тс Я гэ таблщо приведены расчетные значения коэфЕкдаентов влияния. Спвгтдо, что совпадение и этих коэф&пшентов хорояоо.

Таблица 2.

Сравнение расчетных я оясперйгвнталышх зпачений »зэфЕйционтов вгстлняя Ст на параметры двигателя ДЗОКУ(КП) (взлетный режим)

Коэффяцязпты вяшшпя п*

ОР ест Ст 6Тт ОТв вот ОРк ЙТк

эксгор. 5.5 5,9 иг Кб 0,8 2,5 4,5 1,1

расчет. 5,47 6,29 1,94 1,58 0,66 г,бб 4,54 1,44

По коре пепошеэвкл експоршонтольнах данных таблицы козфГицквнтоз влшвгая »¿»тут уточняться я корректироваться.

Третнй ЩЩ>Л посвяздан изучегот вопроса оптямизмоти доводка ремонтных двигателей с использованием его 1Я. Исследования базируются на опытных материалах, полученных завода! 400 ГА при капитальном ремонте двигателей ДЗОКУ(КЛ).

Статистические данные свидетельствуют о том, что о увеличений» оощьй наработки и количества ремонтов происходит ухудшении характеристик отремонтированных двигателей. Это, глашм образом, связано о изменением геометрии проточной части и соответствующим ухудшением КПД основных углов. В связи с общим снижением запаса по температуре, удельному расходу топлива, вибрациям и некоторым другим параметрам уменьшается ресурс двигателей, значительное их количество возвращается на переборку после контрольных испытаний по несоответствии указанных параметров требованиям ТУ . Практика показывает, что в отдельных случаях приходится перебирать двигатели до 3-х - 4-х раз. Указанные обстоятельства приводят к большим дополнительным затратам, увеличении продолжительности и частоты ремонтных циклов и соотватствувдему увеличению простоя АТ.

Эффективным средством решения поставленной задачи является корректировка в процессе ремонта проходных сечений ТНД и Т1Щ, сопел наружного, внутреннего контуров и общего выходного сопла. О »той цель» в данном разделе разработана Ы.Ч двуткаскадной вестиступенчатой гурОшш и введена в состав общей Ш двигателя ДЗОКУ(КП). Как показывает практика путем изменения только одного или двух сечений не удается привести в пределы ТУ Тт, Р или Сг при сохранении в заданных границах остальных параметров. Такое решение является результатом сложного оптимизационного процесса и строится следупцим образом.

Б соответствии о линейной моделью ремонтного двигателя отклонение любого параметра, являющегося признаком состояния (откликом), можно представить в виде сумма

«V «V ОР^ ОЯ^ (г . t,2...t)

Здесь ОПр относительное изменение признака состояния

ОР^ - составляющая общего изменения параметра, связанная с изменением проходных сечений проточной части 0Р4, ОР^ - составляй»« общего изменения параметра,

связанная с изменением факторов (т), я, о), СП«- - составлящая общего изменения параметра,

связанная о отклонением режимных факторов <п», ' Рн, Тн) от исходных значений.

t - общее число рассматриваемых откликов В процессе эксплуатации и последующего ремонте параметр» состояния двигателя изменяются, что приводит к появлению отличных от нуля значений 01V. В том случае, если они превшают предельно допустимые по ТУ, требуется их снижение на заданную то с обретений надежности и безопасности величину 0Г>«. Такое снижение возможно путем корректировки проходных сечений. Математически эта задача может быть сведена к определению Ш путем минимизации функции пели

- аЬа OF^J-* mtn

при (t-1) линейных условиях

D . < £ к ,0F 5 Г>

®,мп5 Е А.10Р15 и п ограничениях на изменение переменных Б , $ 0Р,< Ь

Минимизация функции цели осуществляется при помощи методов линейного программирования с использованием соответствующей оптимизационной программы.

Проведенные расчетные и экспериментальные исследования показали широкие возможности изложенного метода доводки, ремонтных двигателей.

Яа основа опытных данных АГЗ Я 400, а также ПМПО "Авиадвигатель" осуществлена идентификация ММ ремонтного двигателя

ДЗОЮГ(НП), в результата которой получено хорошее совпадение расчета к эксперимента (см.таблицу 3), где, в качестве примера, приведено сопоставление коэффициентов влияния проходное площади на выходе из первого соплового аппарата турбины низкого давления.

Таблица 3.

Сравнение расчетных и вкспергмевтальных значений коэффициентов влияния на параметры двигателя ДЗОКУ(КЛ) (взлетний режим]

КоаСймцианты, влияния ОРга

ОР Ош ОТт 0GT ест

експер. -2,4 -0,95 -1,3 -2,9 -0,5

расч. -2,4 -0,9 -1,1 -2,6 -0,22

Ряд мероприятий, вклвчаший и те, которые теоретически обоснованы в данной работе, позволил в последаие года в 2+3 раза сократить на АРЗ Я 400 число возвратов двигателей на дополнительную переборку по несоответствию ТУ. Чрезвычайно перспективно применение ептимизедионного метода в процессе капитального ремонта для увеличеаия ресурса ГГД.

Четвертый раздел оодергат конкретные технические предложения и некоторые научные проработки, относящиеся к создании мобильного аэродромного диагностического комплекса, дда состоит яз двух основных модулей (рис.1) - аэродромного измерительного стенда (ЛИС) и передвижной диагностическое станции (1ЩС).

AMC представлюjT собой передавшую платформу, на которой смонтированы измеритель теги (ИТ), измеритель расхода воздухе (ИР8), шумоглушащее устройство, газоанализатор. Сигнала от приборов и измерительных устройств даигетеля, а тьхже АИС постулат в регисграцигчно-првоОразувдиЙ блок, б затем ЭВМ, которые входят в соствв НДС.

В работе вносятся предложение по совершенствованию измерителя тяги.разреботанаого проф.Алексеевым Л.П., 4роловим В.П. я яр. Стол er" сводится к учету круткя потока на выходе из реактивного сошю

и

Аэродромный диагностический комплако

ВУ - входное устройство,

ИИЗ - измеритель расхода воздуха,

ВРД - воздушно-реактивный двигатель,

ИТ - измеритель тяги,

ПП - передвиштя платформа,

ГИ - глушитель иума,

ПСД - пврэйвйкная станция диагкеоетки,

БПС - блок преобравоваяйя сигналов

Рис. I

путем введения дополнительного корректирующего коэффициента, пропорционального частоте вращения силовоспринимающего элемента КГ, который представляет собою вращающееся решетчатое крыло, передающее на соответствующие приборы воздействие осредненного динамического напора истекающего потока газа.

Другое предложение заключается в использовании упомянутого сяловоспрннимающего элемента для определения расхода воздуха через двигатель при его установке на входе в ГТД.

Осевое усилие на измерительном устройстве выражается формулой

Риз « Сх Аг К* ,

где Сх, Аг и К« - коэффициент сопротивления решетчатого крыла; коэффициент, учитывавший его геометрические характеристики, и корректирующий хогфЗициент, характеризующий крутку потока.

Выражая скорость С и плотность р воздуха через известные параметры окружающей среды, вместо предыдущей формулы можно получить уравнение для газодинамической функции д (X.)

-------2Й1------2 -к ,

* Сх Аг К" Рн

а затем определить расход воздуха по известной формуле

С « д(Х),

/хн™

где т - постоянный коэф}мциент,

Р»п я от - соответственно эффективная площадь и коэффициент срхранения полного давления во входном патрубке.

Далее проводятся сравнительный анализ существующих методов измерения тяги, а также автоматизированных электронных систем, обоспечивапцих измерение, сбор, обработку, храпение информации, п также автоматизацию проведения испытаний и постановку диагноза то ВРД.

В разделе сформулированы предложения по созданию ддк я технические требования к нему.

g пятом раздала предлагается способ решения задачи диагностики ТС ГТД с помощью МЫ, в определенной мэре лишенный основного недостатка существующих методов - значительного влияния погрешностей измерений в процессе испытаний нв надежность и точность диагноза. Упомянутая задача является обратной по отношению к той, которая решалась во втором разделе, и состоит в определении изменения некоторых наиболее существенных факторов по изменению косвенных признаков состояния, контролируемых при проведении опыта. Математически это осуществляется переносом с обратным знаком коэффициентов ait (см.систему уравнений, приведенную в разделе 2) из левой матрицы в праву» и стольких же коаймциентов ьк - из правой в левую. Решение полученной диагностической модели (ДМ) запишется так

г t

Orj, Oj/j = £ CjiOx.fE CiiOjÂ

l»l l»r»«

( J =1.2...m)

Здесь Oit, Cyv - ¿скорые изменения соответственно признаков и параметров состояния,

Sri, Cj/v - измеряемые отклонения признаков и параметров состояния, С* - коэффициенты влияния да, m - общее число неизвестных (уравнений).

Необходимо отметить то обстоятельство, что измеряемые отклики Oâv в данной система уравнений являются квазинезависимыми параметрами, так как в действительности мекду ними имеется связь, устанавливаемая ММ, полученной во втором разделе.

В самой сути задачи диагностики кроется противоречие, заключающееся в том, что ДИ, с одной отороны, должна быть достаточно тонким инструментом, чувствительно реагирующим на небольшие изменения косвенных признаков состояния, измеряемых приборами в процессе проводимого исследования, а с другой - слабо откликаться на ошибки измерений, которые зачастую соизмеримы с величиной изменение самих этих признаков.

Од*им из способов разрешения этого противоречия является предлагаемый в данной работе метод, который можно назвать методом параллельных матриц,.

Анализ, проведенный в разделе 20 дает возможность о известной мерой приближения свести число воздействущих факторов к пяти наиболее важны*, К ним относятся 1>с, т]г», х\гн п ч

(соответственно КГЩ вентилятора, компрессора, Т&Д, ТНЦ и обобщенный коэффициент герметичности).

Дополнительный анализ Ш показывает одинаковое по знаку в близкое то абсолютной величине влияние на основные параметры ГТД КПД лопаточных машин, объединенных общим валом, что позволяет на первом этапе расчета сгруппировать их в комплексы, обозначаемое т)яд и Т)вд (КПД турбокомпрессоров низкого в высокого давления).

В результате а первом приближении число неизвестных в ДЫ сведено к трем (От|нд, От}вд, Од), а число уразнапий, равное числу измеряемых в стендовых условиях на двигателе ДЗОКУ(КП) откликов Рс, Тт, ги, аг, Р0 Рт и Тк, составляет семь.

Итак имеется система из секи уравнений с тремя неизвестными, которая распадается на системы из трех уравнений. Следовательно, число параллельных матриц реэмерюстьп 3x3, которые в данном случае можно составить, равно числу сочетаний из секи по три т.е.

" -щЬтг " 3 - -ЗТГКЗЛ - з5-

Гамм образом рассчитываются по 35 формул для каздой из искомых вели'рш. Производя сеяэкщш втих формул, отбираются I из мнх, давдих накмзньиуп наперед заданную максимальную погрешость при вычислениях.

В работе показано, что относительная погрешность расчета изменения лвбого параметра штат быть определена по формуле

где (п1г)' и Ну, - коэффициент влияния в относительная погрешность

•I

измерения (-го параметре.

При полной адекватности № и вбеолятпой точности измерений результаты шчиелвкий по всем формулам должны совпадать. В

протиыюм случаа появляется и* рассеивание. При осреднении решений

овибка уменьшается пропорционально /1 .

В качестве примера в таблице 4 приведены несколько формул дм расчета вт>|д.

Таблица 4.

Формулы дл расчета От)нд (нэлетниЯ роким, п^» Const, MCA)

ОРк ОГт Оп< ССт ОР ОРт бТк

1 -1,17 -0,36 3,3 1,24

г -1,13 3,55 -0,24 1,35

э -2,46 -0,57 2,45 ив

4 -2,39 -0,79 2,09 1,8

При испытаниях двмгвтеля в аэродромных условиях тяга является искомым параметром и определяется с использованием таблиц формул, апвлоги'ншх таблице 4.

Определение изменения параметров эксплуатируемого двигателя должно производиться при одинаковых условиях. Обычно таким является ги« Сша1. Другими условиями могут быть сохранение постоянства п», Г, Г* и др., каждому из которых соответствует своя таблица коэффициентов илупния, а, следовательно, и свои группы формул для определения неизвестных факторов.

Использование различных сочетании контролируемых параметров позволило в результате проведенной селекиии при расчете ДМ двигателя ДЗОКУ(КП) отобрать около 600 формул для кавдого из искомых Факторов.

Поскольку погрешности расчета по всем формулам расходятся как по величине, так и по знаку, систематическая ошибка принимает характер случайной и при осреднении уменьшается Солее, чем на порядок.

Полученные значения {т/ид, От}ад и вд позволяют рассчитать энергетически осредненнуо величину контролируемых параметров и произвести их сопоставление с измеренными, осуществляя, таким образом, контроль яа работой измерительных систем.

После получения достоверных значения контролируемых параметров во втором приближении определяются Отр, От}«, От^ти и вт)га т.е. осуществляется локализация дедокта до узла.

В работе призодится порядок расчета по изложенной методике.

Расчетные исследования, проведенные в шестом разделе, показывает перслектишость использования но стационарных режимов для оценки ТС двигателя, т.к. оно непосредственно отражается на характере перестройки параметров по времена в течение переходного процесса.

Рассматривается тэкой переходный процесс, который вызван небольшим измепенизм параметров по сравнение с их значениями на некотором исходном стационарном режиме. При етом возможно использование полученной выше линойноЯ Ш с введением в нее корректив, вызванных нзстационарпостьв. Наиболее сувдстпзшше из них связаны с инерционностью роторов високого и низкого давления. Возниканцэе на них нарушение баланса косности учитывается включением в соответствуадие уравнения слагаемых вшш Ы«(вт) и ИЬ(Сш), где

{в/и)' = <г(0ги)/сзе, (От)'» <3(0п*)/(К

ускорен вращательного движения соответствующих роторов, а известные для каждого конкретного двигателя значения К!» а № характеризуют соотношение между мощностью вентилятора (компрессора) й кинетической энергией врааошш ротора.

11а пэрвом втане решения системы уравнений признаки состояния, а также (0<и)' и (От)', вдражаятся через От, От, ОО и основные факторы, в качества которых приняты НЩ, проходные площади, герметичность, и гидравлические потери (Щ, б Р, йу, Оо).Выдаляя из полученного реиения дза уравнения вида

(0п»)'= /«(Оги.бпа) /»(ОС ) *■ /»{ОТ).ар.бч.йо)

(5п»)'= /4{дтн,впг) + /о(0С ) + /«»{д1)#ЗР(е<7,бо),

ревйеы их совместно относительно От п в (и, я результате чего судом таэдть

«л«» /?(«? ) (бч.ор.од.ео).

С помощью последних формул eru и Оп» исключаются из уравнений, полученных на первом этапе, в ОС аппроксимируется квадратичной функцией времени 00 =at'+bt+a, которая предполагается известной. Таким образом, изменения откликов представляются в виде функций времени и отклонений основных факторов от кх первоначальных значений и позволяют определить в любой момент переходного процесса все основные параметры двигателя.

Сравнение динамических характеристик в начале эксплуатации и через кекой-го промахуток времени дает возможность оцепить степень изменения его ТО. Предлагается сравнивать среднекнтегралыше значения того или иного параметра за определенный промежуток времени переходного процесса, которыо выражаются формулой

и

(СР)ер = /6Mt/(ta-t.). ti

Можно предположить, что рассматриваемые факторы (или их 0ТКЛ0Н01ШЯ) в ТЭЧ31Ш0 переходного процесса остаются неизменными.

Интегрируя внрогзтш для теку®« значений откликов в переходном процессе, пшучта формулы для их среднеиятегральной веш'пшн за определенный промохуток времени его протекания.

D качестве npiwapa иокоторш такле формулы, полученные для двигателя ДЗОКУ(КП), приведены в теблицо 5.

Таблица 5.

Ко8ф1ядазнта влияния основных факторов па сролнаинтягрзльше зпапэгам нокоторнх откликов при переходном процесса двигателя ДЗОКУ(КЛ).

<3TJ9 OTJK 0Т]тв Orjrti 6q а Ь 0 ар™ От]г ООке

Oil, 0,40 0,35 0,45 0,39 0,46 0,21 0, ¡8 0,22 -0,1 0,23 0,23

Вт -0,06 0,33 0,44 -0,003 0,15 0,13 0,1 0,13 -0,17 0,13 0,15

ОР 0.55 о,гг 0.2В 0,44 0,97 0,98 0,77 0,83 -0,04 0,84 0,16

В заяпсгогости от количества измеряемых параметров чпсло этих уравнений моагат быть различным. №юя средаеинтегрплышо значения параметров па определенном участке перзходпого процесса (а

-¿оирьменные методы измерений позволяют их определять о достаточной ючностьо), с помощью приведонноЛ система уравнения и методов, разработанных при рассмотрении стационарного режима, можно рассчитать От) и Cq. При такой постановке задачи пренебрегают изменением Ft», т)г, оке.

ММ установившегося и переходного процессов базируются иа разим принципах. Первая использует изменение группы контролируемых параметров, а вторая - характера протекания переходного процесса, определяемого среднеинтегрельной величиной тех же параметров на заданном его участке. Это позволяет совместно использовать обе модо7гя, что суцестьанио расширяет возможности метода.

Так определив Ciq и Oq на установившемся режиме, можно подставить их в Ш переходного процесса и рассчитать изменение ОРтв, бокс и Orjr (см.табл.б), адекватных состоянию первого соплового аппарата и камеры сгорания, а также эффективности происходящего в ней процесса. В свою очередь, подставив их В Ш стационарного рюжима, «окно определить От] и Од во втором приближении и т.д.

Таким образом, динамическая модель дает возможность не только сократить время диагноза, но и существенно расширить объом информация о ТО двигателя.

Современное состояние развития авиадвигателестроегаш, достижения в области электроники, вычислительной и измерительной техники, математического моделирования, объединенные в единое целое, позволяют в настоящее время качественно по-новому решать задачи диагностирования авиационной техники.

ВЫВОДЫ

I. Существующие в отечественной гражданской авиации службы и применяемые методы диагностирования не могут в должной мере обеспечить еффоктивную вксплуатацию и ремонт двигателей по их техническому состоянию. В связи с в тем чрезвычайно актуальным является создание предлагаемого в данной работе аэродромного дичгностического комплекса (МК), способного без снятия двигателя о борта решить указанную задачу.

2. Благодаря высокой точности вычислительно-измерительных

операций и взаимодействию о бортовой системой контроля и диагностики (БОНД), АДК позволяет обеспечить выдачу обоснованного разрешения на валег, своевременное принятие решения о проведении ремонта о указанием возможных дефектов, большую оперативность, маневренность, автономность.

3. Предполагаем;!* экономический эффект от внедрения АДК и предложенных програтшх средств обеспечения его работы за счет увеличения межремонтного ресурса, сокращолия "гасла досрочных съемов двигателей ДЗОНУ(КП) составляет 1+2 млн,долларов и год, что соответствует стоимости 7+10 таких комплексов.

4. Основными свойствами разработанных математических моделей ГГД являются адекватность, универсальность, относительная простота программы расчета, допускающая применение ПЭВМ, учет изменения важнейших характеристик ПД в процессе эксплу -авдм, использование специальных мер по ограничению влияния погрешностей измерешй на результата расчета, 5 возможность идентификации, обеспечение самоконтроля, исключающего грубые ошибки при расчетах и измерениях.

5. Внедрение ряда мероприятий по соворяонствованию ремонта двигателей ДЗОКУ(КП), включаюцдх и те, которые теоретически обоснованы в разработанной автором методике, позволило заводу Л 400 в последние года в 2+3 раза сократить число возвратов двигателей на переборку по несоответствию ГУ. Экономический аффект при этом составляет 200+300 тыс.долларов в год.

6. Установлено, что влияние КПД узлов двигателя, принадлекищих одному турбокомпрессору, качественно одинаково и близко по величине. Это дает возможность объединить их В общие комплексы. То же можно сказать о некоторых видах разгерметизации.

7. Ключевым звеном ММ реального двигателя является ее защищенность от воздействия ошибок измерения. Разработанный впервые метод параллельных матриц обеспечивает сглаживание влияния этих погрешностей и делает возможным применение ММ в практике эксп уатации.

8. Разработанные методы диагностирования не установившемся и переходном режимах работы (последний предложен впервые) позволяют с достаточной степенью точности локализовать дефекты до уровня основшх узлов двигателя и проследить их развитие по времени.

9. Выявление дефекта в двигателе в процессе его эксплуатации

дает возможность в некоторых случаях ремонтировать ГГД лишь частично, не производя его полной разборки.

Ю.Изучение существующих способов измерения тяги в аэродромных условиях показало, что наиболее приемлемы, является метод, основанный на измерении скоростного напора истекающего потока газов. Предлагается новый метод, использупзяй то ее устройство с целью измерения расхода воздуха через двигатель.

Регистрация этих важных параметров существенно расширяет объем и увеличивает точность диагностической ив'Ьормации;

11. Предлагаемая методика корректировки проточной части двигателя при его капитальном ремонта позволяет ограничить уровень температурной нагрукешоста ГГД с увеличением наработки и обеспечить рост его ресурса при сохранении остальных параметров в заданных пределах.

12. Комплексная система автоматизированного сбора и обработки, информации о результатах испытаний ГГД, разработанная в филиале ЦИАМ совместно с КОТГА при участии автора, может рассматриваться как прототип аналогичной систем, входящей в состав АДК.

Содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. (кйшюнхов Л.В., Дворничэнко £*В.

Параметрический метод оценки изменения тяги и некоторых других характеристик двигателя даокУ в процессе его эксплуатации. Труды ЦИАМ И III8, Москва 1984.

2. Мгакенков Л.В., Егоров &.Н., Горбов В.Н., ОДвецов А .к., Заоимов B.U.

Применение математического моделирования при доводке ремонтных двигателей ДЭОК ;КП). Авиационная промышленность, 1991, Н 12, о 13-16.

3. Метненкоа Л.В., Антонов О.Н., Плауюв В.П., З&симов D.M., Егоров А.Н.

Совераенствоваша средств измерения параметров ГТД при его диагностировании. Авиецаокная промышленность, 1992, * 12, с 20-24.

4. Фролов В.П., Михяенков Л.В., Егоров А.Н., Засимов В.М.

Вопросы проектирования интегрального измерителя внутренней тяги с силовоспринимаадим элементом решетчатой конструкции. Сборник научных трудов. МШГА. 1393г.

б. Ыихненков Л.В., Засимов В.М., Голубева М.Г., Егоров А.Н. Вопросы проектирования многоцелевого моОильного стенда для испытания ГТД. Сборник научных трудов ВНТК. МИИГА. 1993г.

6. Ыихненков Л.В.

Метод локализации дефектов аЕадциошш. двигателей. Сборник научных трудов ВНТК. ШИТА. 1993г.

7. Дгатеев Ю.Н., Шш ков Л.В., Шулекин В.Т. Экспериментальное исследование влития радиального зазора на эффективность малоразмерной турбины. Груды НАМИ, вып.134.1972.

8. Зарянкин А.Е., Михненков Л.В.

О расчете потерь при внезапном расширении потока. Известия ВУЗ Я 3 Авиационная техника. 1964.

9. Динеев D.H., Коваленко Б.Ф., Михиенкоп Л.В. Экспериментальное исследование ступени осевой турбины. Труды НАШ. вып. 110. 1969.

10. Зарянкин А.Е., Мжояенков Л.Р

Влияние перекриви на работу турбины. Известия ВУЗ. Энергетика й 12. 1953.

11. Ыихненков Л.В., Коваленко Б.Ф.

Экспериментальное иссладоваше радиально-осевых турбин. Труды НАМИ, вып. 124. 1970.

12. Михненков Л.В., Лапшин В.Н.

Расчет методом сеток осесютлетричного течения идеальной несжимаемой жидкости в колесе Турбины. Труды НАМИ.вып.95Л96?.

13. Михненков Л.В.

К методике расчета безлопаточного соплового аппарата ступата турбины. Сборник тезисов докладов Г ВНТК. МИИГА. 1973.

14. Михненков Л.В., В^лэкин В.Т., Симонов В.Н. Характеристики спиральной камеры БСА вспомогательной силовой установки на переменных режимах. Тезисы докладов II ВНТК. МИИГА. 1974.

15. Валуев Н.И., Динеев D.H., Мйхнэнков Л.В.

К расчету улитки БСА ступени турбины. Сб.научных трудов КИИГА, вып. 3. 1972.

16. Казанджан П.К., Михненков Л.В.

Основные параметры -технического совершенства современных И перспективных двигателей ГА. Межвузовский тематический сборник научных трудов. МИИГА. 1980.

17. Евграфов К.Г. , Михненков Л.В., Алексеев К.П., Парамонов Е.Б. Газотурбинный двигатель. Авторское свидетельство А 447948. 197Д.

18. Мигленков Л.В.

Термодинамика, теплопередача, теория авиационных двигателей. Учебное пособие для вузов. МИИГА. 198Э.

19. Михненков Л.В.

Техническая термодинамика. Учебное пособие для вузов ГА. УШГА. 1988.

20. Доброскоков А.Л., Пивоваров Б.А., Михненков Л.В. Самолет Ил 96-300. Глава IV. Двигатель ПС-90А. Учебное пособие для вузов ГА/под редакцией Воробьева В.Г. МИИГА. 1989.

21. Михненков Л.В., Егоров А.Н., Сладков В.П., Засимов В.К. Диагностирование двигбчгзля ЛЗОКУ/КП с мспользовашем его математической модели. Авиационная промышленность. 1993.* 9-10.

22. Фролов В.П., Михненков Л.В., Сладков В.П., Егоров А.Н., Плаунов В.П., Засимов В.М.

Критериальный подход в выбора материалов для паяныг решетчатых элементов средств измерения параметров ГГД. В кн.: Новые достижения в области пайки.- Киев: ИЭС им.Е.О.Патона. 1992. С.8-17.