автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Обобщение опыта трибодиагностики авиационных газотурбинных двигателей и разработка мер по повышению ее эффективности

На правах рукописи

Дасковский Михаил Исаевич

ОБОБЩЕНИЕ ОПЫТА ТРИБОДИАГНОСТИКИ АВИАЦИОННЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И РАЗРАБОТКА МЕР ПО ПОВЫШЕНИЮ ЕЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Специальность 05.22.14 Эксплуатация воздушного транспорта

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 мдм 2012

Москва - 2012

005044610

005044610

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет гражданской авиации» на кафедре «Техническая механика»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Машошин О.Ф. Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Кулешов A.A. Заместитель генерального директора - директор научного центра исследований авиадвигателей и силовых установок воздушных судов ФГУП ГосНИИ ГА;

кандидат технических наук,

Метелкин М.Б. Главный специалист отдела по организации поддержания летной годности и управлением парка ВС департамента ДПЛГ ОАО «Аэрофлот - российские авиалинии».

Ведущая организация - НИЦ ЭРАТ (г. Люберцы) 4 ЦНИИ Минобороны России

Защита диссертации состоится «■?</» 1-Я 2012 г. в /.Г на заседании диссертационного совета Д 315.002.01 при Государственном научно-исследовательском институте гражданской авиации (ФГУП ГосНИИ ГА) по адресу: 125438, г. Москва, Михалковская ул., 67, к. 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГосНИИ ГА

Автореферат разослан «f^7> ¿"п/?^-^-}" 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 315.002.01 кандидат технических наук I 9 Банков А.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В условиях старения парка эксплуатирующихся авиационных двигателей (ГТД) и необходимости продления их ресурса основным резервом обеспечения требований безопасности является эффективный контроль состояния жизненно важных узлов двигателя и, в частности, узлов трения. Состояние узлов трения оценивается по содержанию продуктов изнашивания в работавшем масле. Работающее масло несет в себе информацию о состоянии ГТД, так как, омывает наиболее ответственные узлы трения (подшипники, шлицевые и зубчатые соединения). В процессе изнашивания пар трения металлические частицы попадают в масляную систему и накапливают информацию о состоянии всех омываемых узлов. В дальнейшем процесс аномального изнашивания приводит к изменению геометрических размеров кинематической пары, повышению уровня вибрации, выходу параметров двигателя за пределы нормативных значений.

На практике эффективность трибодиагностики определяется следующими показателями:

; сокращением количества случаев выключений двигателей в полете по срабатыванию аварийных сигнализаторов «СТРУЖКА В МАСЛЕ» (СМ);

-! сокращением досрочного съема двигателей (ДСД) по ложному (с вероятностью в среднем 20^25%) срабатыванию аварийного сигнализатора СМ на основании информации о фактическом состоянии динамики износа двигателя и возможности её эффективного контроля;

величиной сокращения ДСД с эксплуатации за счет определения марки сплава частиц изнашивания с контрольных элементов (КЭ) двигателя и определения возможного источника разрушения.

В случае соответствия марки стружки марке материала колец и тел качения подшипников основных опор двигателя, двигатель снимается с эксплуатации. Если материал стружки соответствует, например, материалу

деталей стартера или коробки приводов, то после замены агрегата двигатель допускается к дальнейшей эксплуатации.

Возможность определения марки сплава реализована в лаборатории диагностики (ЛД) ОАО «Аэрофлот - российские авиалинии» с использованием анализатора «Спектроскан Макс-СУ» и доработанной версии «Анализ стружки» разработанной ВЦ «Аэросервис».

В настоящее время число двигателей, продолживших эксплуатацию в ОАО «Аэрофлот» после появления стружки на контрольных элементах, составляет примерно 80%, по сравнению с 18 % до применения программы «Анализ стружки», начавшей свою работу в 2002г., в соответствии с утвержденной начальником УПЛГ ГВС ФАВТ методикой.

Исключение необоснованных съемов двигателей обеспечивает (как показывает восьмилетняя практика) около 20% дополнительной наработки парка эксплуатируемых двигателей, которая при иных условиях может быть достигнута только за счет увеличения парка резервных двигателей авиакомпании на две - три единицы.

В то же время основное направление трибодиагностики, а именно повышение уровня безотказной работы двигателя в полете, попало в тень достижений экономической составляющей и значительно снизило свою актуальность с позиций разработчиков и ответственных представителей эксплуатирующих структур.

Охлаждение к решению проблемы безопасности полетов можно объяснить тем, что за многолетнюю практику диагностического мониторинга зарегистрированы лишь единичные случаи предотвращения аварийного выключения двигателя за счет его своевременной замены по результатам анализов проб масла.

Факты низкой эффективности работ по предотвращению аварийных выключений двигателей по срабатыванию табло СМ являются общеизвестными. Так, в работе В.А.Степанова отмечается что, «несмотря на длительное применение спектрального и феррографического метода (более

25 лет), в трибодиагностике авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) остаются существенные проблемы. Так, по данным НПО «Сатурн», спектральный анализ выявляет не более 11% двигателей Д-ЗОКП/КУ/КУ-154 с дефектами маслосистемы». В ОАО "Авиадвигатель" по результатам спектральных и феррографических измерений ни разу не удалось предотвратить дефекты подшипников трансмиссии в двигателях ПС-90А.

В таблице 1. представлены данные по суммарной наработке (ТЕ, час) парка двигателей ПС-90А и количеству случаев выключений двигателей в полете по срабатыванию аварийных сигнализаторов «Стружка в масле».

Таблица 1.

Года 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

ТЕ, х103 час 57,8 62 74,3 80 104,1 79,3 71,6 83,2 95,9

3 4 0 1 2 1 2 1 4

Приведенные данные показывают, что актуальность проблемы не снята и не исключена тенденция её возрастания.

Цель работы и задачи исследования.

Цель диссертационной работы заключается в обобщении опыта трибомониторинга авиадвигателей с разработкой рекомендаций по дальнейшему совершенствованию трибодиагностики ГТД в направлении повышения его эффективности на базе использования отечественного оборудования.

Главными задачами исследования являлись:

-выявление факторов, влияющих на эффективность трибодиагностики;

-обоснование основных технических характеристик (номенклатура измеряемых элементов, нижний порог чувствительности и точностные характеристики) базового рентгенофлуоресцентного анализатора (РФА);

-проведение исследований по оценке перспективности трибодиагностики на основе анализа продуктов изнашивания с фильтров маслосистемы двигателя; Методы исследования.

Ретроспективный анализ на базе накопленной статистики по анализу проб масла. В работе использован комплексный подход, включающий известные методы теории вероятности и математической статистики для обработки экспериментальных данных.

Научная новизна работы состоит в следующем:

-проведено исследование используемого для трибодиагностики ГТД диагностического оборудования с точки зрения возможностей анализа частиц изнашивания во всем исследуемом диапазоне;

-проведен статистический анализ данных, полученных при измерении удельных концентраций продуктов изнашивания ГТД, снятых с эксплуатации по причине разрушения омываемых маслом узлов, а так же исправных ГТД, снятых с эксплуатации по причине отработки ресурса;

-впервые предложены методические рекомендации по комплексной диагностике авиационных ГТД, включающие, помимо стандартного спектрального анализа масла, анализ фильтра, а также контрольных элементов в совокупности с феррографическим анализом.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанный комплексный подход к диагностике узлов трения ГТД по концентрации примесей в маслах позволяет:

-распознавать и предупреждать отказы в узлах трения ГТД на ранних стадиях развития процесса изнашивания;

-уменьшить показатели необоснованного съема ГТД с эксплуатации; -снизить затраты на эксплуатацию ГТД в предприятиях ГТД; -полученные результаты могут быть использованы в качестве методических и инструктивно-методологических материалов для эксплуатационных предприятий ГА.

Реализация и внедрения результатов работы.

Результаты, полученные в диссертационной работе, используются в ряде предприятий ГА, а так же были применены при доработке программы «Многоэлементный анализ» в рамках бюллетеня промышленности № 94370-БЭ-Г

Положения, выносимые на защиту.

1. Обоснование перечня контролируемых элементов.

2. Результаты исследования влияния фильтров тонкой очистки на эффективность трибодиагностики.

3. Использование методики количественного РФА при исследовании содержимого маслофильтров.

4. Методика комплексного применения различных методов трибодиагностики при оценке состояния маслосистемы ГТД.

Апробация работы.

Основные положения работы и результаты выполненных исследований докладывались и получили положительную оценку на международных и ряде внутривузовских конференций, а также научно-технических семинарах кафедры «Техническая механика» МГТУ ГА. По материалам работы опубликовано 6 научно-технических статей.

Структура и объем диссертационной работы

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, приложений.

Работа изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 62 иллюстраций, 28 таблиц и 79 библиографических наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель диссертации. Проведен критический обзор основных научных работ по теме исследования. Сделан вывод о необходимости углубленной диагностики ГТД с использованием аппарата математической статистики.

В первой главе проведен анализ физических процессов изнашивания, протекающих в ГТД, а так же дано теоретическое обоснование выбора диагностических критериев оценки ГТД по содержанию продуктов изнашивания в работавших маслах.

Рассмотрены три основные этапа процесса эксплуатации ГТД: приработка, период стабильного изнашивания, период аварийного изнашивания.

Проведен подробный анализ оборудования, используемого в лабораториях диагностики (ЛД) для анализа работавших масел, анализаторов - БАРС-3, «Спектроскан», МОА, лазерный счетчик частиц Ь№-С и аналитического феррографа.

Доказана недостаточная эффективность трибологического контроля ГТД по достижению заданного предельного уровня удельной концентрации продуктов изнашивания.

Проведен анализ существующих методов диагностирования отечественных ГТД и методов диагностики зарубежных авиадвигателей.

Проведен анализ результатов межведомственных испытаний перспективных отечественных рентгеноспектральных анализаторов.

При разработке концепции повышения эффективности средств трибодиагностики автором была поставлена задача выбора статистических показателей, которые могут быть эффективно использованы для контроля изнашивания трущихся пар АД.

Вторая глава посвящена выявлению и анализу факторов, влияющих на эффективность трибодиагностики авиационных двигателей.

В частности отмечается, что по вопросам, связанным с оценкой состояния узлов трения двигателя ПС-90А по продуктам изнашивания с начала его эксплуатации в ОАО «Аэрофлот» было выпущено 29 бюллетеней и методических указаний по следующим группам:

- оценка состояния узлов трения по величине концентрации металлов в масле, а так же количеству частиц в каждой размерной группе ;

- оценка состояния узлов трения по результатам анализа стружки с контрольных элементов (КЭ) маслосистемы.

Используемая в настоящее время Методика предупреждения начала аварийного износа, основана на периодическом измерении уровня концентрации Ре и Си в масле и сравнении с допустимыми значениями, обладает весьма низкой эффективностью на уровне 2-3%.

Одной из основных причин столь низкой эффективности является ограниченность перечня контролируемых металлов и необоснованно завышенные нормы по концентрации металлов в масле, на основании которых принимается решение о дальнейшей эксплуатации двигателя.

В работе выявлен ряд причин, устранение которых, будет способствовать решению проблем таких, как:

- низкие значения концентраций металлов в масле (практически все частицы осаждаются на фильтрах и не поступают на анализ в составе проб масел);

- отсутствие обоснованного перечня контролируемых металлов и большие ошибки рентгеновских анализаторов в оценке концентрации металлов;

- отсутствие специализированных рентгеновских анализаторов;

- решение задачи своевременного и обоснованного съема двигателя с эксплуатации по состоянию узлов трения необходимо искать в комплексной, а не однопараметрической постановке.

Исследование вопроса по определению обоснованного перечня КЭ проводилось комплексно с позиций физической специфики рентгенофлуоресцентного метода, который, как и каждый метод, в рамках решения целевой задачи обладает рядом достоинств и недостатков. Суть вопроса заключается в том, что рентгенофлуоресцентный анализ (РФА) обладает различным уровнем «видения» элементов в составе анализируемой пробы. Элементы из списка «контрольных» £2 ю должны удовлетворять следующим требованиям:

-должен входить в состав основных сплавов материалов пар трения; -среднее значение М( концентрации С( (-го элемента должно превышать нижний предел обнаружения М( > Спр РФА;

-величина концентрационной чувствительности 5( по 1-му элементу должна обеспечивать достоверное различие между значениями М( и М/ +3(71;

Формирование перечня производится методом последовательных итераций следующим образом:

-из исходного перечня £2исх —> { А§, А1, Сг, Си, Ре, Мп, Мо, N1, РЬ, Бп, Л, V, XV, Ъп } металлов в сплавах деталей двигателя формируется перечень £2(1)ю элементов которые хорошо "видит" рентгеновский анализатор.

Для включения {-го элемента в перечень £2ю должно выполняться условие:

- среднее значение концентрации металлов в пробах масла должно быть Л//> Спр, т.е попадать в зону видимости рентгеновского анализатора.

Скорректированный за счет исключения элементов, не удовлетворяющих условию М / > Спр, перечень для дальнейшего анализа выглядит следующим образом:

£2(1 )кэ { А1, Сг, Си, Ие, РЬ, Б!, Бп, Л, \У, Ъп}

Второй этап корректировки перечня £2(1 )кэ производится по результатам оценки концентрационной чувствительности 6, т.е. степени изменения интенсивности излучения J (имп/сек) в зависимости от изменения концентрации градуировочного образца. В соответствии с требованиями отраслевой системы обеспечения единства измерений при диагностировании состояния АД методом спектрального анализа, утв. 17.12.2003 Департаментом поддержания ЛГ ГВС, градуировка анализаторов производится с использованием комплекта Государственных стандартных образцов ( ГСО).

Градуировочный график представляется в виде полинома второго порядка

у = ах2 + 5 X + С X,

где

у — среднее значение количества импульсов;

X — значения концентрации в г/т ;

а — степень нелинейности полинома ;

5 — концентрационная чувствительность ;

С — среднее значение импульсов фона подложки.

На рис. 1. представлено окно программы «Метрология», с результатами калибровки элемента Ре по комплекту ГСО пяти значений концентраций х = 0,1; 0,3; 1,0; 3,0; 5,0 (г/т).

Для каждого элемента из ряда Ag, А1, Сг, Си, Ге, Л/^ Мо, А7, РЬ, 5/, 5«, Д V, 1п, IV были определены значения концентрационной чувствительности по программе «Метрология», подготовленной с участием автора.

Рис.1. Основное рабочее окно программы «Метрология» для градуировки «Спектроскан вУ» по комплекту ГСО элемента Ре.

На рис. 2. представлены систематизированные по убывающей, значения 5 анализатора Спектроскан СУ.

Концентрационная чувствительность элементов по ГСО

2500 г 569 Г-. 1872

1411

1000 - - ..... _ -1Ь1 084 гГ 7--——---|-"-

500 -0 --500 -Ь Рв С и л • Мп ■ Сг .П.ЙЛ'.Я^'.-.-,1'/. РЬ И Со Бп АЛ/ Ад Мд Мо СЙ

Рис.2. Систематизированные по убыванию значения концентрационной чувствительности анализатора Спектроскан ОУ.

Из гистограммы видно, что величину концентрационной чувствительности 81 можно разделить условно на три группы:

- элементы с высоким уровнем концентрационной чувствительности 8 в интервале 81 = [2069 ... 777] ( Ре ... V);

- элементы со средним уровнем чувствительности в интервале 5 1 = [386...320] (РЬ... XV);

- элементы низкого уровня чувствительности в интервале 8; = [46 -^9]

{ Mg, Мо и Сё }

Элементы { А§, М§, Мо и Сё } со значениями 8 I = [9 -Н-6] исключены из списка как элементы с заведомо низкой чувствительностью, т.е. изменение их концентрации в пробах масла практически не регистрируется рентгеновским анализатором.

После корректировки предыдущего списка Г2(1)кэ —» { А1, Сг, Си, Ре, М§, РЬ, 81, Эй, Т1, и7, 2п} по условиям:

М {> Спр и 6 (>320 список контролируемых металлов составляет девять элементов:

П(2)кэ ->• {Сг, Си, Ре, РЬ, "Л, V, гп,\У },

В работе полученный перечень элементов подвергся дальнейшим исследованиями и корректировке с позиций учета эффекта межэлементных

влияний, на наличие которых в свое время обращал внимание С. И. Калашников в методических рекомендациях по анализу проб масла.

Окончательный перечень имеет вид Л(3)кэ —»{ Fe, Cr, W, Си, Ni, Ti }, который в диссертации опытно подтвержден на примере аварийных двигателей.

Третья глава посвящена разработке методики определения технического состояния деталей авиационных ГТД, омываемых маслом, путем анализа содержимого маслофильтра. В двигателях ПС- 90А в качестве основного маслофильтра с 2002 г. применен маслофильтр типа PALL с тонкостью фильтрации 15мкм, проба масла на анализ сливается с коробки приводов.

Масло из маслобака через нагнетающую магистраль подводится к основному масляному фильтру. После маслофильтра масло параллельно разводится и подается на агрегаты 1 и агрегаты 2. Далее откачивающей ступенью, масло возвращается в маслобак.

Сливной кран |

Рис. 3. Структурная схема подачи смазочного масла к основным агрегатам двигателя.

Из представленной на рис.3, схемы видно, что в случае, когда агрегаты 1 исправны, а дефект начал развиваться, например, в роликоподшипнике турбины высокого давления 2, то та часть масла, где содержатся частицы

износа, характеризующие дефект, поступает в маслобак на основной маслофильтр и уже очищенное масло поступает вновь на агрегаты 1 и агрегаты 2. При этом, на спектральный анализ сливается очищенное масло, прошедшее через маслофильтр с исправных агрегатов 1. В таких случаях, малая концентрация частиц в пробе масла при наличии дефекта, объясняется только одним фактором - большая часть частиц, характеризующих повышенный износ, улавливаются основным маслофильтром.

Для оценки степени влияния величины ячейки масляного фильтра на эффективность диагностики авиадвигателей по концентрации продуктов изнашивания в работавшем масле, автором было проведено сравнительное исследование данных концентраций металлов в масле двигателей ПС-90А, эксплуатирующихся в ОАО «Аэрофлот - российские авиалинии», в период применения на двигателях 30 мкм фильтров и в период применения 15 мкм фильтров PALL. Исследования двигателей одного типа, эксплуатирующихся в одной авиакомпании, позволило убрать влияние таких факторов, как конструктивные отличия двигателей и особенности их эксплуатации. В результате были получены плотности вероятностей распределений концентраций металлов в масле для двигателей с различными фильтрами. При этом установлено, что среднее значение и дисперсия распределения концентраций химических элементов в пробах масла с фильтрами тонкой очистки примерно на порядок меньше этих параметров для концентраций масла при эксплуатации двигателей с фильтрами грубой очистки.

Для оценки эффективности диагностики состояния маслосистемы двигателя по анализу содержимого маслофильтра, в работе проводится исследование по анализу 78 смывок с фильтра тонкой очистки с 15-ти двигателей пяти самолетов Ту-154М. В данных двигателях в период подконтрольной эксплуатации, технологический фильтр (ТФ) (ячейки 12-15 мкм по сравнению с 80 мкм у штатного) устанавливался на место штатного при регламентном опробовании двигателя. Опробование двигателя с ТФ

производилось в режиме малого газа в течение 5-ти минут с периодичностью - 300 час наработки двигателя.

За период подконтрольной эксплуатации было проведено по 5-6 циклов на двигатель в зависимости от налета.

После опробования каждый фильтр помещался в герметичную ёмкость с моющей жидкостью, которая подвергалась ультразвуковой обработке в ванне, заполненной водой в течение 30 минут.

После завершения обработки весь объём жидкости с продуктами очистки (суспензия) поступал для проведения комплексного рентгеновского и феррографического анализа.

Рентгеновский анализ обеспечивает оценку концентрации металлической фракции в суспензии, а феррографический позволяет произвести оценку характера распределения твердых частиц в исследуемом объеме по количеству и размеру.

В главе показано, что существует определенный уровень концентрации Ср, начиная с которого доля частиц износа, периодически удаляемая с фильтра, будет уравновешиваться вновь вырабатываемыми двигателем за период между очистками фильтра. Иначе говоря, будет достигнут определенный уровень равновесной концентрации частиц износа в маслосистеме двигателя. Установлено, что для каждого двигателя в условиях стационарной эксплуатации существует вполне определенная индивидуальная равновесная концентрация Ср, которая остается постоянной (в пределах допусков статистической обработки) в течение всего периода стационарного износа, определяющего межремонтную наработку двигателя.

Превышение граничных значений Ср может свидетельствовать о

начале режима интенсивного износа.

В третьей главе также представлены рассчитанные предельные (на уровне 95% доверительной вероятности) значения концентрации металлов (г/т) в суспензии ТФ, соответствующие режиму равновесной концентрации, а

так же предельные количества частиц различного размера, соответствующие нормальному протеканию процесса износа.

Разработана технология извлечения исходной диагностической информации при очистке технологического фильтра в ультразвуковой ванне и произведена ее оценка.

Отработана методика трибодиагностирования состояния маслосистемы двигателя на основе продуктов очистки маслофильтров.

Методика вошла в разработанное совместно с автором программное обеспечение.

В четвертой главе разработана методика выявления источника разрушения ГТД на ранних стадиях развития. Так же разработан алгоритм принятия решения о дальнейшем эксплуатации ГТД, основанный на комплексной оценке концентраций химических элементов, феррографического и фильтрографического анализа.

Для выявления начальной стадии разрушения деталей маслосистемы и последующего принятия решения о дальнейшей эксплуатации ГТД, автором предложено использование статистических исследований текущего состояние работавшего масла, расчет доверительных интервалов, как для основных исследуемых металлов -Ре, Си, так и для металлов, являющихся легирующими, с формированием, при необходимости, углубленных процедур исследования.

Так, например, для определения доверительного интервала по Ре было исследовано 2134 измерений концентрации металла в работавшем масле двигателей ПС-90А. Измерения проводились на вакуумном рентгеноспектральном анализаторе Спектроскан МАКС ОУ лаборатории диагностики ОАО «Аэрофлот - российские авиалинии». Результаты проведенных измерений отражены в виде гистограммы на рис.4. По виду плотности распределения, был выбран экспоненциальный закон.

HMogiam (PS-90.STA 10V2210C) у = 2134 • 0 094866 • expon (х. 14 67874)

VAR1

Рис.4. Диаграмма распределения 2134 измерений концентраций Fe в работавшем масле двигателей ПС-90А.

Экспоненциальность закона была подтверждена проверкой соответствующей гипотезы %2 (хи-квадрат) критерием.

Далее, с учетом указанного закона, были рассчитаны пороговые значения для вероятностей 95% и 99,7%.

Доверительный интервал 95% вероятности для Fe составил 0,20 г/т.

В случае превышении концентрации Fe в работавшем масле более 0,20 г/т необходимо предпринять следующие действия:

1. Провести комплексная оценка содержания концентрации W, V и Сг в масле. В случае отсутствия превышения концентрации указанных элементов доверительного интервала 95% вероятности, двигатель продолжает эксплуатацию. В случае превышения по одному из указанных элементов доверительного интервала 95% вероятности провести анализ содержимого маслофильтра.

2. Выполнить фильтрографический анализ. Провести анализ содержимого фильтров по разработанной методике. В случае отсутствия превышения концентрации легирующих элементов, рассчитанного для смывки с маслофильтра, доверительного интервала 95% вероятности, двигатель продолжает эксплуатацию. Если концентрация по одному из

указанных легирующих элементов превышает доверительный интервал 95% вероятности, двигатель следует поставить на особый контроль на один парный рейс.

Расчет порогового значения концентрации Fe в работавшем масле двигателей ПС-90А для доверительного интервала 99,7% вероятности составил 0,40 г/т.

В случае превышении концентрации Fe в работавшем масле 0,40 г/т необходимо предпринять следующие действия:

1. Провести комплексную оценку содержания W, V и Сг. В случае роста концентраций Fe при отсутствии нарастания концентраций легирующих материалов следует провести фильтрографический анализ отпечатка с целью оценки наличия частиц окислов. Повышенное внимание обнаружению окислов следует уделить и при проведении анализа пробы на аналитическом феррографе. В случае наличия частиц окислов необходимо провести анализ качества масла, в данном случае особенно важен показатель «Acidity index».

При отсутствии следов окислов либо коррозионного износа вероятен повышенный износ низколегированного сплава.

В таблице 2 представлен перечень низколегированных сплавов, используемых в отечественных авиационных двигателях.

Таблица 2.

Fe, % W, % Ni, % Сг, % Мо, % V,%

38Х2МЮА Основа 0 0 1,5 0,2 0

60С2А Основа 0 0,25 0,3 0 0

65С2ВА Основа 1 0,4 0,3 0 0

ШХ15 Основа 0 0,15 1,47 0 0

В основном из этих материалов изготавливают различные пружины, кольца, а так же зубчатые колеса стартера. При исследовании феррограммы необходимо уделить внимание частицам задира, а так же частицам выкрашивания. В целом можно констатировать, что низколегированные

стали в отечественных авиадвигателях не используются при изготовлении деталей наиболее ответственных узлов - основных опор двигателя. В перечисленных ситуациях достаточной мерой при превышении порога является постановка двигателя на особый контроль кроме случаев, предусмотренных РЭ на каждый тип двигателя.

2. В случае превышения доверительного интервала 95% вероятности по одному из указанных легирующих элементов следует подтвердить рост фильтрографическим анализом.

а) Исследование содержимого масляного фильтра. В случае подтверждения превышения концентрации по одному из легирующих элементов, отправить отпечаток содержимого ТФ на оптический анализ с применением программного обеспечения по разработанной ранее методике на предмет выявления частиц износа и определения их размеров.

V Вьпегмгъ цветом рассАпамгые частшы

Эффектно»«! диаметр: 460 мкм Площадь: 165875 Тт Металл

Анализ стружки....................................

Спелтроскан I Анализ стружки I ;

Возипжки сиг.ктрвньный лнпяия !

Рис.5. Окно программы «Ферроскан»

В случае обнаружения программой частицы износа с эффективным диаметром превышающим 200 мкм, программа выделяет частицу красным.

Данную частицу следует удалить с фильтра и направить на спектральный анализ для определения марки сплава указанной частицы.

Если частица износа принадлежит марке материала 8Х4В9Ф2-Ш-материал колец и тел качения основных опор, двигатель снимается с эксплуатации.

В случае отсутствия крупных частиц на отпечатке содержимого ТФ, следует проверить контрольные элементы на предмет наличия частиц износа, а так же тренд величин вибраций на основных опорах.

б) Исследовать контрольные элементы (с магнитных пробок и сигнализаторов стружки). В случае обнаружения частиц износа на контрольных элементах, частицы поступают на спектральный анализ для определения марки материала.

Предложенный подход позволит эффективно использовать существующие лаборатории трибодиагностики с учетом западного опыта мониторинга состояния маслосистемы ГТД по анализу содержимого маслофильтров.

Основные результаты исследования.

1. Рассмотрены характерные периоды эксплуатации авиационных ГТД, четко различающиеся с точки зрения интенсивности изнашивания узлов трения, а также характерные частицы изнашивания, поступающие в масляную систему.

2. Проведено исследование различных типов оборудования использующееся для триботигностики ГТД. Проведен анализ результатов межведомственных испытаний перспективных отечественных рентгеноспектральных анализаторов.

3. Проанализирована отечественная и зарубежная практика мониторинга технического состояния маслосистем авиационных ГТД.

4. Предложено комплексное использование спектральных методов анализа масла и феррографии, что позволяет существенно повысить

достоверность информации, получаемой при исследовании работавшего масла.

5. Определен перечень наиболее информативных контролируемых химических элементов для оценки состояния ответственных узлов маслосистемы ГТД.

6. Проведена оценка эффективности очистки маслосистемы двигателя Д-ЗОКУ технологическим и штатным фильтрами.

7. Разработана технология извлечения частиц износа с технологического фильтра и оценена ее эффективность.

8. -Разработано программно-методическое обеспечение-трибодиагностирования на основе продуктов очистки маслофильтров.

9. Сформированы доверительные интервалы для концентраций основных и легирующих химических элементов, присутствующих в пробах масла.

10. Сформированы диагностические процедуры углубленной диагностики с использованием маслофильтров и контрольных элементов, для обеспечения эффективного прогнозирования разрушения деталей маслосистемы АД.

Результаты исследований опубликованы в следующих работах:

Список научных статей:

1. Дасковский М.И., Интегральная оценка динамики износа узлов трения авиационных ГТД различными методами трибодиагностики. Научный вестник МГТУ ГА. Серия: эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов. Вып. 127.-М. МГТУ ГА, 2008, с. 97-101.

2. M.I. Daskovskiy, Application experience of modern tools of tribodiagnostic applications for air jets. ULTRAGARSAS (ULTRASOUND), ISSN 1392-2114, vol. 64, no. 3. Kaunas university of technology, 2009, p. 42-47.

3. Дасковский М.И., Оценка влияния размеров ячеек фильтров на эффективность трибодиагностики. Научный вестник МГТУ ГА. Серия: эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов. Вып. 162.-М. МГТУ ГА, 2010, с. 176-180.

4. Машошин О.Ф., Дасковский М.И., Эффективность комплексного применения различных методов трибодиагностики при эксплуатации двигателя ПС-90А. Научный вестник МГТУ ГА, № 178.-М. МГТУ ГА, 2012, с. 115-122.

5. Дасковский М.И., Опыт применения различных методов трибодиагностики двигателя ПС-90А в процессе его эксплуатации. Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011, с. 1033-1035.

6. Чирков Ю.А., Дасковский М.И., Результаты проведения межведомственных испытаний рентгеноспектрапьных анализаторов «СПЕКТРОСКАН», «ПРИЗМА», «Х-Арт М» и «БРА-18». Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011, с. 900-904.

Список докладов :

1. Тезисы доклада на Международной научно-технической конференции, посвященной 85-летию гражданской авиации России. «Технологический фильтр- инструмент очистки маслосистемы и индикатор износа», М„ МГТУ ГА, 2008г., стр7.

2. Тезисы доклада на Международной научно-технической конференции, посвященной 85-летию гражданской авиации России. «Счетчик частиц как элемент трибодиагностики». М., МГТУ ГА, 2008г., стр8.

3. Тезисы доклада на Научно-техническом конгрессе по двигателестроению (НТКД-2010). «Состояние и проблемы развития

трибодиагностики ГТД в гражданской авиации в условиях модернизации парка ВС», М., НТКД-2010,2010., стр.123.

4. Тезисы доклада на Международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию образования МГТУ ГА. «Существующие проблемы и совершенствование трибодиагностики ГТД в гражданской авиации», М., МГТУ ГА, 2011г., стр.60.

Соискатель

Дасковский М.И.

Подписано в печать: 25.04.2012 Тираж: 100 экз. Заказ №815 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, Ленинградский пр-т, д.74, корп.1 (495) 790-47-77; www.reglet.ru

61 12-5/2594

Министерство Транспорта Российской Федерации Федеральное агентство воздушного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет гражданской авиации»

На правах рукописи

Дасковский Михаил Исаевич

Обобщение опыта трибодиагностики авиационных газотурбинных двигателей и разработка мер по повышению ее эффективности

Специальность 05.22.14 - Эксплуатация воздушного транспорта

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор О.Ф.Машошин

Москва -

2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение..................................................................................................................4

Глава 1 .Существующие методы и средства в области трибодиагностики

авиационных ГТД. Постановка задачи...................................................................14

1.1 Особенности износа деталей узлов трения маслосистемы

авиационных ГТД....................................................................................................14

1.2.Методы диагностики отечественных ГТД.......................................................18

1.3.Методы диагностики зарубежных ГТД............................................................26

1.4.Характеристики оборудования, применяемого для

трибодиагностики ГТД.............................................................................................29

1.5.Результаты проведения межведомственных испытаний перспективных отечественных рентгеноспектральных анализаторов...........................................50

1.6.Выводы по первой главе.....................................................................................62

Глава 2. Исследование возможных методов повышения эффективности трибодиагностики в предприятиях ГА...................................................................63

2.1.Анализ факторов, влияющих на эффективность трибодиагностики.............63

2.2. Обоснование основных метрологических характеристик базового РФА.... 67

2.3.Определение перечня контролируемых элементов.........................................68

2.4.Оценка точностных характеристик...................................................................77

2.5.Обоснование объема фильтрации при подготовке отпечатков

проб масла..................................................................................................................80

2.6.Выводы по второй главе.....................................................................................86

Глава 3.Разработка методики определения технического состояния деталей

омываемых маслом ГТД путем анализа содержимого маслофильтра................87

3.1.Влияние размеров ячейки фильтров на величину концентрации продуктов износа в пробах масла...............................................................................................87

3.2.Оценка технологического фильтра как инструмента очистки

маслосистемы двигателя..........................................................................................92

3.3.Оценка технологического фильтра как индикатора уровня износа узлов трения.........................................................................................................................96

3.4.Разработка технологии извлечения исходной диагностической информации при регенерации технологического фильтра...................................101

3.5.Методика трибодиагностирования на основе продуктов очистки маслофильтров...........................................................................................................107

3.6.Методика оптического анализа продуктов очистки маслофильтров............111

3.7.Выводы по третей главе.....................................................................................119

Глава 4.Разработка методических положений по обеспечению повышения эффективности прогнозирования разрушения деталей маслосистемы ГТД......120

4.1.Формирование доверительных интервалов и дополнительных процедур контроля при их превышении для концентрации основных элементов в работавшем масле авиадвигателя ПС-90А.............................................................122

4.2.Формирование доверительных интервалов и дополнительных процедур контроля при их превышении для концентрации лигирующих элементов в работавшем масле авиадвигателя ПС-90А.............................................................129

4.3.Перспективы развития систем контроля узлов трения авиационных двигателей..................................................................................................................148

4.4.Технико-экономическое обоснование..............................................................156

4.5.Выводы по четвертой главе...............................................................................158

Общие выводы по работе.........................................................................................159

Список использованной литературы.......................................................................160

Приложения...............................................................................................................167

Введение

В условиях старения парка эксплуатирующихся авиационных газотурбинных двигателей {ГТД) и необходимости продления их ресурса основным резервом обеспечения требований безопасности является эффективный контроль состояния жизненно важных узлов двигателя и, в частности узлов трения. Состояние узлов трения оценивается по содержанию продуктов изнашивания в работавшем масле. Работающее масло несет в себе информацию о состоянии ГТД, так как, омывает наиболее ответственные узлы трения (подшипники, шлицевые и зубчатые соединения). В процессе изнашивания пар трения металлические частицы попадают в масляную систему и накапливают информацию о состоянии всех омываемых узлов. В дальнейшем процесс аномального изнашивания приводит к изменению геометрических размеров кинематической пары, повышению уровня вибрации, выходу параметров двигателя за пределы нормативных значений.

В последнее время проблеме оценки процессов изнашивания были посвящены ряд публикаций. Среди них можно отметить публикации, посвященные проблеме совместимости трибологических систем - Буше H.A., Копытько В.В. Проблеме изучения трибологических свойств материала как части единой трибологической системы посвящены исследования Института проблем механики РАН. Среди публикаций на эту тему можно выделить труды Алексеева Н.М., Кузьмина H.H., Транковской Г.Р., Шуваловой Е.А.

Проблеме трибодиагностики авиационных ГТД были посвящены ряд публикаций Государственного научно - исследовательского института гражданской авиации, а также публикации в ряде научных сборников Московского государственного технического университета гражданской авиации [37, 38, 41, 43,44,46].

Однако, на практике у специалистов авиационной промышленности и эксплуатантов в отношении к диагностике состояния авиадвигателей по пробам масла сложился широкий спектр мнений от активно-негативного до оптимистического, при этом последний основан на убеждении, что использование современного зарубежного оборудования является основой повышения эффективности диагностики. Эти позиции нашли отражение в бюллетенях промышленности. Так, например, для двигателя Д-36 был отменен ранее действующий бюллетень по контролю примесей в масле, а в бюллетенях по двигателю ПС-90А эксплуатируемых в ОАО «Аэрофлот -российские авиалинии» предусматривается использование серьезного арсенала зарубежного оборудования и специального программного обеспечения.

Исходной позицией сложившихся отношений является весьма низкая эффективность действующих бюллетеней предусматривающих оценку состояния ГТД по факту достижения фиксированного значения удельной концентрации (С() контролируемых металлов. Так, при достижении удельной концентрации Бе С( = 2,0 г/т двигатели Д30 КУ/КПЖУ-154 ставятся на особый контроль (ОК) , при достижении С1= 4,0 г/т двигатели снимаются с эксплуатации. Для двигателя ПС-90А нормативные значения концентрации по Бе и Си составляют С ( = 1,5 г/т для постановки на ОК и С ( = 4 г/т для съема двигателя с эксплуатации.

Используемая в настоящее время Методика предупреждения начала аварийного износа, основанная на периодическом измерении уровня концентрации металлов в масле и сравнении с допустимыми значениями, обладает весьма низкой эффективностью. По статистическим оценкам, лишь у 23% двигателей снятых по причине разрушения узлов трения величина С1 достигала уровня постановки на ОК до срабатывания аварийных сигнализаторов. Одной из основных причин столь низкой эффективности данного подхода является противоречие между методикой принятия решения

по факту достижения фиксированного значения концентрации С( и сильной мере случайной характера результатов измерений, С1 определяемых рядом не поддающимся учету случайных факторов.

Выбор нормативных значений С( производился из условия исключения ошибки 1-го рода (ложная тревога) путем подъема значений С( заведомо выше максимально допустимых. При этом автоматически возрастает ошибка 2-го рода (пропуск дефекта), условная вероятность которой, в нашем случае, выходит за пределы 95%.

На практике эффективность трибодиагностики определяется следующими показателями:

- сокращением количества случаев выключений двигателей в полете по срабатыванию аварийных сигнализаторов «стружка в масле» (СМ);

- сокращением досрочного съема двигателей (ДСД) по ложному (с вероятностью в среднем 2(Н25%) срабатыванию аварийного сигнализатора СМ на основании информации о фактическом состоянии динамики износа двигателя и возможности её эффективного контроля;

- величиной сокращения ДСД эксплуатации за счет определения марки сплава частиц изнашивания с контрольных элементов двигателя и определения возможного источника разрушения.

В случае соответствия марки стружки, марке материала колец и тел качения подшипников основных опор двигателя, двигатель снимается с эксплуатации. Если материал стружки соответствует, например, материалу деталей стартера или коробки приводов, то после замены агрегата двигатель допускается к дальнейшей эксплуатации.

Возможность определения марки сплава реализована с использованием анализатора «Спектроскан Макс-ОУ» и доработанной версии «Анализ стружки» основной Программы.

В таблице 1 представлены % показатели и наработка двигателей, направленных в ремонт по состоянию узлов трения (стружка на контрольных

элементах), от общего числа двигателей снятых с эксплуатации по другим причинам, не связанным с маслосистемой.

Таблица 1.

ж Показатель 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

1. Количество двигателей снятых с эксплуатации.% 31 33 34 29 24 21 29 22 26

2 Количество случаев «стружки». / 0 § 21 п 1 9 16 17 30 23

3. Снято двигателей по «стружке». % 5 19 1 2 3 3 9 6 5

4. Количество двигателей, продолживших эксплуатацию, % з 7 5 7 13 14 21 17

5. Суммарная наработка парка двигателей ПС-ЭОЛ. час 103 57,8 62 74,3 80 104 79,3 71,6 83,4 95,9

6. Дополнительная наработка двигателей, продолживших эксплуатацию, час 103 - - 19 19,4 20,6 18,5

7_ Процентное соотношение дополнительной наработки к наработке парка двигателей ПС-90А. % - - 25.63 24.29 19.81 20.12

Из таблицы видно, что, начиная с 2002 г. (начало использования программы «Анализ стружки») число двигателей, продолживших эксплуатацию после фактов выявления стружки, составило 80%, по сравнению с 18 % до применения программы определения марки сплава. Величина совокупного экономического эффекта, полученного собственниками двигателя и эксплуатантом соизмерима со стоимостью одного нового двигателя ПС-90А.

Исключение необоснованных съемов двигателей обеспечивает (как показывает пятилетняя практика) около 20% дополнительной наработки парка эксплуатируемых двигателей, которая при иных условиях может быть достигнута за счет увеличения резервного парка авиакомпании на два - три двигателя.

Очевидно, что это направление трибодиагностики перспективно, самоокупаемо по затратам, имеет пути дальнейшего совершенствования в направлении расширения перечня распознаваемых металлов и сокращению требований к минимальным размерам контролируемых частиц.

Однако остаются открытыми вопросы, связанные с повышением уровня безопасности полетов за счет предотвращения (сокращения) случаев выключения двигателей в полете по срабатыванию аварийных сигнализаторов СМ. В таблице 2 представлена статистика Департамента авиационно-технического обеспечения (ДАТО) ОАО «Аэрофлот -российские авиалинии» по числу случаев выключений двигателей в полете по срабатыванию СМ . В средней строке данные по суммарной годовой наработке парка двигателей ПС-90А, а в нижней -количество случаев Осм срабатываний по СМ.

Таблица 2

Года 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

Хчас 103. 57,8 62 74,3 80,1 104,1 92,1 80 80,1 95,9

3 4 0 1 2 1 2 1 4

Нормативное значение наработки на отказ, приводящий к выключению двигателя в полете, должно быть не менее 50 тыс. часов. К настоящему времени, как видно из таблицы на 2008г, этот показатель составляет 24 тыс. часов и это выключения только по срабатыванию СМ , хотя в нормативное значение входят и другие причины, например случаи выключения по

причине помпажа двигателя. Из таблицы видно, что актуальность проблемы по сокращению предпосылок авиационных происшествий (ПАП) не снята и не исключено возрастание её актуальности.

В маслосистеме эксплуатируемых двигателей частицы износа присутствуют в двух состояниях:

- частицы износа, находящиеся во взвешенном состоянии в работающем масле;

- частицы износа, осажденные на контрольных элементах двигателя и фильтрах.

Известно, что эффективность применения диагностики определяется тремя основными взаимосвязанными составляющими:

- качество приборного оборудования;

- программно-методическое обеспечение;

- действующей нормативной документацией.

В лаборатории диагностики ОАО «Аэрофлот» (ЛД) для контроля частиц изнашивания в пробах масла используются атомно-эмиссионные спектрометры МОА фирмы «БЭРД» и рентгеновские анализаторы «Спектроскан Макс-ОУ» (изготовитель - НПО «Спектрон», г. Санкт-Петербург»), а также широкий (полный спектр) аппаратуры феррографического анализа, позволяющая определять дополнительно спектральному анализу размер, форму и количество частиц износа в исследуемой пробе масла.

Феррографический метод исследования реализован аппаратным комплексом фирмы «РКЕБЮТ/БЫ» (США), дополненный лазерным счетчиком и классификатором формы и размера частиц Ы^-С фирмы «ЗРЕСТЯО ЕЧС» (США) и программно- аппаратным комплексом Ферроскан, разработанный специалистами ВЦ ГА «Аэросервис» с участием автора в части разработки алгоритма программы.

Суть реализованной в ЛД ОАО «Аэрофлот - российские авиалинии» методики заключается в комплексном рентгеновском, феррографическом и статистическом анализе проб масла, реализованным в рамках использования программы «ИЗНОС 1-3» (в дополнение к традиционной оценке по уровню концентрации металлов в пробах масла ) и расширенной подпрограммами «Анализ стружки », «Счетчик частиц», «Вибрация».

Комплексное использование указанных аппаратурно-программных средств в ЛД ОАО «Аэрофлот-РА» обеспечило значительное сокращение числа случаев необоснованного съема двигателей с эксплуатации, как это видно из таблицы, за счет определения марки сплава частиц изнашивания, выявляемых на контрольных элементах двигателя и определения их возможного источника разрушения.

В современной трибодиагностике, задача предотвращения выключения двигателей в полете по срабатыванию аварийных сигнализаторов считается наиболее актуальной.

Решение этой задачи заключается в выявлении начальной стадии аномального износа по изменению параметров частиц изнашивания в маслосистеме двигателя с дальнейшим выявлением причины аномалии.

Анализ публикаций специалистов выявил ряд возможных, и зачастую противоречивых мнений, исключающих возможность положительного решения этого вопроса.

Отсутствию положительных сдвигов и неудачи в решении этой проблемы, по мнению авторитетных специалистов, способствуют следующие причины:

- большие погрешности физических методов количественной оценки концентрации металлов в пробах масла, поступающих на анализ, включая ошибки измерений за счет несоответствия структуры калибровочных образцов структуре осадков на отпечатках рабочих проб масла;

- большие объемы расхода (примерно один литр на 1час. работы двигателя) и доливы масла, вследствие чего в маслосистеме двигателя не накапливаются частицы изнашивания в той мере, чтобы их удельная концентрация имела устойчивый рост даже в случае интенсивного изнашивания какой-либо из омываемых маслом пар трения;

- период развития аномального износа Tatt - Jbh...Jcm деталей подшипников основных опор двигателя от начальной стадии Jbh до конечной Jcm (срабатывания сигнализатора «СТРУЖКА В МАСЛЕ» или «ОПАСНАЯ ВИБРАЦИЯ» ) практически не превышает интервал Tatt = (4(Н150 ) час. наработки двигателя, т.е. в некоторых случаях может быть меньше периода отбора проб на анализ;

- подавляющая часть частиц износа осаждается на фильтрах фирмы PALL с размером ячейки 1(Н15 мкм и не попадает в пробы масла, поступающих на анализ (бюллетень №94260 БУ-Г. Замена МФС-94 на фильтроэлемент QA07930 фирмы PALL 14.07.02г.);

- современный и самый совершенный программно-аппаратный комплекс регистрирует только лишь начальную фазу аномалии износа J тек > Jnped и позволяет отслеживать аномалию, чего уже явно недостаточно, ввиду возможного очень большого разброса значений Tatt (от часов до месяцев);

- задача своевременного и обоснованного