Комплексний метод діагностування авіаційних газотурбінних двигунів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 629.735.036

Комплексний метод діагностування авіаційних газотурбінних двигунів

Спеціальність 05.22.20 - Експлуатація та ремонт засобів транспорту

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Олалі Майкл Олала

Київ 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України

Захист дисертації відбудеться “19” червня 2008р. о 15-00 годині в аудиторії 1.002 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.062.03 при Національному авіаційному університеті за адресою: 03058, проспект Космонавта Комарова ,1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03058, проспект Космонавта Комарова, 1.

Автореферат розісланий “16” травня 2008р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д26.062.03, кандидат технічних наук, доцент, С.В. Павлова

двигун газотурбінний стійкість діагностування

Анотація

Олалі Майкл Олала. Комплексний метод діагностування авіаційних газотурбінних двигунів . - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 - Експлуатація та ремонт засобів транспорту. - Національний авіаційний університет Міністерства освіти і науки України, Київ, 2007.

Викладений комплексний метод діагностування авіаційних ГТД, удосконалений у напрямі оцінки і прогнозування технічного стану їх проточної частини за рахунок використання нового комплексу діагностичних параметрів.

Наведена методика оцінки зміни величини запасу газодинамічної стійкості, що дозволяє із загальної зміни величини запасу ГДС виділити зміни запасу газодинамічній стійкості викликане погіршенням технічного стану двигуна.

Розглянутий в роботі підхід дозволяє виділяти характерні види несправностей для проміжних станів між станом повної справності і відмовою навіть у випадку, ідентифікувати їх причину комплексно.

Наведені результати апробації розробленого методу.

Розроблений метод дозволяє визначати вірогідність безвідмовної роботи для конкретного двигуна, що з урахуванням розробленої методики дає можливість оптимізувати періодичність ТО.

Ключові слова: авіаційний газотурбінний двигун, комплексний метод, газодинамічна стійкість, діагностичні ознаки.

Аннотация

Олали Майкл Олала. Комплексный метод диагностирования авыационных газотурбинных двигателей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20 - Эксплуатации и ремонт средств транспорта. - Национальный авиационный университет Министерства образования и науки Украины, Киев, 2008.

Изложен комплексный метод диагностирования авиационных ГТД, усовершенствованный в направлении оценки и прогнозирования технического состояния их проточной части за счет использования нового комплекса диагностических параметров, позволяющий выделять характерные виды неисправностей для промежуточных состояний между состоянием полной исправности и отказом и идентифицировать их причину.

Приведена методика оценки определения запаса газодинамической устойчивости вызванного изменением технического состояния ГТД.

Определены взаимосвязи между диагностическими признаками, характеризующими запас газодинамической устойчивости, вибрационное состояние двигателя и концентрацию металла в масле.

Определены функциональные зависимости взаимного влияния параметров ТРДД для реализации комплексного метода диагностирования для конкретного типа двигателя.

Оценки вероятности безотказной работы, определяемая по разработанному методу имеет сравнительно большие достоверные значения по сравнению с определением этого показателя диагностирования по методу, применяемому в настоящее время в эксплуатации, что позволяет переходить на более современные стратегии технического обслуживания, а также за счет оптимизации упреждающих допусков параметров увеличить интервал ТО и тем самым повысить экономическую эффективность эксплуатации ВС

Приведена структура двигателя НК-8-2У как объекта контроля. Определены контролируемые параметры и признаки, показана возможность проведения экспериментальных исследований разработанного метода по результатам подконтрольной эксплуатации конкретного двигателя

Ключевые слова: авиационный газотурбинный двигатель, комплексный метод, газодинамическая устойчивость, диагностические признаки.

Abstract

Olali Michael Olala. Integral method of diagnostics of gas turbine engines. Manuscript.

The thesis on conferring of a degree of the Doctor of Philosophy on a specialty 05.22.20 - Exploitations and repair of facilities of transport - National Aviation University of Ministry of education and science of Ukraine, Kiev, 2008.

Integral method of diagnostics of aviation gas turbine engines has been enhanced; evaluation and prognosis of technical condition of gas flow tract by use of new diagnostic parameters that enable typical fault isolation easier for conditions inbetween fully functional and failure and also identify their сauses.

A method of estimating the change in gas dynamic stability brought about by changes in condition of GTE has been developed.

Mathematical relations between diagnostic kit sign(indications) that characterise gas dynamic stability, engine vibration, metal concentration in oil has been defined.

The method for the diagnosis of GTE degradation processes is based on trend analysis and patern recognition.

Keywords: aviation gas-turbine engine, integral method, gas-dynamic stability, diagnostic kit sign.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. За останні два десятиліття досягнутий значний прогрес у вирішенні проблем надійності складних технічних систем, зокрема виробів авіаційної техніки (дослідження фізики відмов, моделей довговічності, ресурсне проектування, розвиток систем і методів діагностування та ін.) Проте безперервне ускладнення і здорожчення авіаційної техніки при вирішенні проблем конкурентоспроможності і фінансового благополуччя авіатранспортних підприємств, примушує особливу увагу приділяти питанням продовження життєвого циклу повітряного судна (ПС), підтримка їх льотно-технічних характеристик на заданому нормативно-технічною документацією рівні, впровадженню перспективних методів ремонту і технічного обслуговування (ТО). Визначальним моментом в цьому процесі є надійне діагностування і прогнозування технічного стану (ТС) двигуна впродовж всього його життєвого циклу.

Низька контролепридатність двигунів, що знаходятся до останнього часу в експлуатації, разом з відсутністю ефективних бортових систем обробки і реєстрації інформації привели до того, що в даний час недостатня увага приділена теоретичному, а тим більше експериментальному дослідженню процесів, що протікають при появі несправностей що порушують нормальну картину течії в проточній частині ГТД. Проте запропоновані до теперішнього часу підходи до вирішення задачі комплексного діагностування не використовували зміну запасу газодинамічної стійкості двигуна, як критерію, що характеризує стан проточної частини двигуна. Стан проточної частини ГТД оцінювали по зміні термогазодинамічних параметрів, використовуючи при цьому складні математичні моделі.

Подальший розвиток комплексного методу діагностування у напрямі оцінки стану проточної частини двигуна, є, поза сумнівом, актуальним завданням, вирішення якого дозволить розширити його можливості і підвищити достовірність оцінки ТС ГТД у поєднанні з мінімізацією експлуатаційних витрат за рахунок оптимізації попереджуючих допусків на зміну визначальних параметрів і інтервалів діагностування. Це, у свою чергу, приведе до підвищення економічної ефективності повітряних перевезень при збереженні рівня безпеки польотів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дана робота є логічним продовженням досліджень, що проводяться в Національному авіаційному університеті і направлених на вдосконалення методів діагностування авіаційної техніки, що є важливою складовою забезпечення високого рівня безпеки польотів. Робота виконувалася в рамках науково-дослідної роботи: №3 - Ф1/к14 «Розробка та дослідження ефективності нових методів забезпечення газодинамічної стійкості компресорів авіаційних ГТД». (2005-2007р.)

Мета і завдання досліджень. Метою досліджень є розробка комплексного методу діагностування технічного стану газотурбінних двигунів. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:

провести аналіз існуючих методів діагностування;

технічного стану авіаційних газотурбінних двигунів;

обгрунтувати вибір діагностичних параметрів і ознак для реалізації методу діагностування, що розробляється;

розробити методику визначення зміни запасу газодинамічної стійкості за рахунок зміни технічного стану ГТД;

провести апробацію методу з використанням результатів підконтрольної експлуатації конкретного типу ГТД.

Об'єкт дослідження - процес зміни технічного стану авіаційних газотурбінних двигунів з початку їх експлуатації.

Предмет дослідження - методи оцінки технічного стану авіаційних газотурбінних двигунів в умовах експлуатації.

Методи дослідження. Теоретичною основою дослідження є методи термогазодинаміки авіаційних ГТД, а також методи математичного моделювання і статистичні методи обробки експериментальних даних.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- отримав подальший розвиток комплексний метод діагностування авіаційних ГТД у напрямі оцінки і прогнозування технічного стану їх проточної частини за рахунок використання нового комплексу діагностичних параметрів;

- вперше розроблена методика оцінки зміни величини запасу газодинамічної стійкості, що дозволяє із загальної зміни величини запасу ГДС виділити зміни запасу газодинамічній стійкості викликане погіршенням технічного стану двигуна.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці комплексного методу діагностування ГТД і методичних рекомендацій по його використанню стосовно конкретного типу двигунів. Отримані результати можуть бути упроваджені в авіатраспортних підприємствах.

Особистий внесок здобувача. У статтях і інших виданнях, опублікованих в співавторстві, авторові дисертації належить:

- у роботі [1] обгрунтований вибір діагностичних параметрів і ознак для реалізації розробленого методу діагностування технічного стану ГТД;

- у роботі 2] проаналізовані недоліки відомих методів оцінки технічного стану авіаційних газотурбінних двигунів і їх систем та запропоновані шляхи їх адаптації для використання в комплексному методі діагностування ТС ГТД;

- у роботі [3] автор запропонував як діагностичну ознаку використовувати величину відносного коефіцієнта запасу газодинамічної стійкості компресорів ГТД;

- у роботі [4] запропонований підхід до розробки комплексного методу діагностування технічного стану сучасних ГТД і їх систем.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень докладалися на наступних конференціях: "Політ -2007" (м. Київ, НАУ); XI Міжнародному конгресі двигунобудівників (Харьків-Рибаче, 2006г.); V Міжнародній науково-технічній конференції “Авіа - 2007”; XІІ Міжнародному конгресі двигунобудівників (Харьків-Рибаче, 2007г.);

Публікації. По темі дисертації автор опублікував 4 статті в наукових виданнях, 2 тези доповідей на конференціях. Основний зміст дисертації опублікував в 4 наукових працях.

Структура дисертації. Дисертація складається з введення, трьох розділів і додатку. Повний об'єм дисертації 126 сторінок, 19 рисунків, 12 таблиць. Список використаних джерел складається з 112 найменувань на 11 сторінках.

2. Основний зміст

двигун газотурбінний авіаційний

У вступі обґрунтовано актуальність теми, яка розв'язується в дисертації, сформульована мета дисертаційної роботи, визначені її наукова новизна і практична цінність.

У першому розділі Проведений аналіз сучасних методів і засобів діагностування. Результати проведеного аналізу показали доцільність виконання досліджень у напрямі розробки нових і удосконаленні існуючих комплексних методів оцінки технічного стану ГТД, які використовуються в умовах експлуатації.

В другому розділі викладені опис комплексного методу діагностування газотурбінних двигунів, обґрунтування вибору діагностичних параметрів, методики оцінки зміни відносної величини запасу газодинамічної стійкості компресорів ГТД.

Доведено, що в методі, який розробляється, доцільно використовувати, діагностичний параметр загальної вібрації двигуна. Аналогічно для оцінки інтенсивності процесів зносу елементів конструкції коробок приводів, редукторів і опор роторів двигунів доцільно використовувати коефіцієнт концентрації металу в маслі .

Для оцінки величини пошкоджень критичного елементу конструкції ГТД використовується параметр

=, (1)

де - еквівалентний наробіток, яке накопичується від польоту до польоту; - довговічність критичного елементу конструкції при параметрах еквівалентного режиму навантаження.

Вибір в якості параметра, що характеризує ТС проточної частини ГТД, відносного коефіцієнта газодинамічної стійкості компресора, пов'язаний з тим, що даний параметр встановлює взаємозв'язок між положенням границі стійкості компресора і робочої точки на полі його характеристик, а положення робочої точки визначається технічним станом всіх елементів проточної частини двигуна, що виходить рівняння лінії робочих режимів.

Вибір параметра, також обумовлений тим, що між коефіцієнтом запасу газодинамічної стійкості і параметром існує взаємозв'язок, оскільки, величина параметра визначається температурою газу перед турбіною, а температура газу, у свою чергу, визначає термічні навантаження на критичні елементи конструкції гарячої частини двигуна. Дане твердження випливає з наступного рівняння

, (2)

де і - значення температури газу перед турбіною на границі газодинамічної стійкості і на лінії робочих режимів на відповідній напірній кривій.

В області експлуатаційних режимів <1.0 зміна параметрів уздовж фактичної межі стійкості в основному визначається розрахунковою величиною ступеня підвищення тиску і визначається по формулі

, (3) (2.65)

де - відносна зміна ступеню підвищення тиску уздовж межі стійкості.

Положення лінії робочих режимів визначається шляхом вирішення системи рівнянь сумісної роботи елементів ГТД, після чого розраховується величина запасу ГДС.

Відносна зміна величини запасу газодинамічної стійкості викликана погіршенням технічного стану елементів проточної частини двигуна визначуваний як різниця між сумарною відносною зміною запасу газодинамічній стійкості і викликаним впливом зовнішніх умов :

. (4)

Величина може бути визначена як сума змін викликаних: зміною вологості атмосферного повітря, зміною числа Рейнольдса при зміні висоти і швидкості польоту, зміною нерівномірності поля газодинамічних параметрів на вході в компресор, зміною обумовленою нестаціонарністю течії на перехідних режимах роботи двигуна і при збуреннях на вході в компресор.

Алгоритм розробленого методу діагностування наведений на рис.1.

Якщо діагностичні параметри, , рівні нулю, то умовна пошкоджуваність двигуна визначається тільки пошкоджуваністю критичного елементу конструкції :

, (5)

де - постійний коефіцієнт.

У тому випадку, коли діагностичні параметри, і починають зростати, тобто відбувається накопичення пошкоджень у всьому двигуні, до пошкоджуваності критичного елементу конструкції додаються пошкоджуваності інших елементів, які не можуть бути безпосередньо визначені через міцностні характеристики, а оцінюються співвідношенням поточного діагностичного параметра і його граничного значення. При цьому вказане співвідношення повинне бути відповідним чином скоректоване коефіцієнтом взаємозв'язку діагностичних параметрів. Коефіцієнти взаємозв'язку діагностичних параметрів , , можуть бути визначені в результаті обробки спеціальних експериментів і даних підконтрольної експлуатації. Враховуючи те, що пошкоджуваність повинна дорівнювати 1 у момент руйнування двигуна:

. (6)

Знаючи величину умовної пошкоджуваності, завжди можна визначити еквівалентний наробіток як:

. (7)

Для того, щоб обчислити вірогідність безвідмовної роботи двигуна, слід скористатися співвідношенням:

, (8)

Структурна схема комплексної мережевої системи діагностування представлена на рис.2.

Таким чином, розроблений метод інтегрується в комплексну мережеву систему діагностування ГТД.

У третьому розділі наведені результати експериментальної перевірки комплексного методу оцінки технічного стану ГТД по зміні діагностичних параметрів,, і , які проводились на основі результатів підконтрольної експлуатації двигуна НК-8-2У. Проаналізована структура двигуна НК-8-2У як об'єкту контролю та контрольовані параметри і ознаки порушення працездатності системи двигуна.

Критичним елементом конструкції двигуна НК-8-2У є робоча лопатка першого ступеня турбіни високого тиску. Тепловий і напружений стан робочих лопаток в небезпечному перетині для різних режимів роботи двигуна розраховувалося по рівняннях, отриманих з використанням висотно-швидкісних і дросельних характеристик двигуна.

Проведені розрахунки показали, що для двигунів НК-8-2У при досягненні критерієм величини 1,8, необхідно проводити детальний аналіз причин зміни технічного стану ГТД. Результати розрахунків представлені в табл. 1. для еквівалентного напрацювання.

Для визначення граничної величини коефіцієнта, відповідної справному стану двигуна, використовувалися результати статистичної обробки залежностей концентрації заліза від накопиченої частості F. В результаті було встановлено, що розподіл величини концентрацій заліза в маслі двигунів НК-8-2У підкоряється логарифмічно нормальному закону. На логарифмічно нормальній сітці (рис.3) показана зміна накопиченої частості по величині концентрації заліза в маслі. Аналізуючи рис.3, можна зробити висновок про те, що 95% величин концентрацій не перевищує 1,4 гр/т, а 98% - 2,5 гр/т. Це дозволяє припустити, що концентрації понад 2,5 гр/т у справних двигунів носять випадковий характер і пов'язані з короткочасною інтенсифікацією процесів зношування деталей, омиваних маслом.

На підставі приведених вище за дані для двигунів НК-8-2У як гранична величина концентрації заліза в маслі була прийнята величина, відповідна накопиченій частоті 98% і рівна 2,5 гр/т., що відповідає при перерахунку граничної величини коефіцієнта =1,45. Результати розрахунку критеріальної величини по еквівалентному і реальному напрацюванню представлені в табл.1.

При визначення граничної величини коефіцієнта, відповідної справному стану двигуна, використовувалися результати підконтрольної експлуатації двигуна НК-8-2У. В результаті аналізу граничних допусків і проведених розрахунків було набуто граничного значення критерію вібрації =2.2. Результати розрахунку критерійної величини по еквівалентному і реальному напрацюванню представлені в табл.1.

Для визначення найбільшого відхилення величини запасу стійкості, викликаного зміною технічного стану елементів проточної частини двигуна на підставі чисельного моделювання і за наслідками підконтрольної експлуатації було визначено граничне значення критерійної ознаки = 1.14. Дане значення потрібно розглядати як вельми умовне, оскільки було отримано не в результаті обробки прямо визначальних параметрів підконтрольної експлуатації, а за наслідками математичного моделювання з використанням термогазодинамических залежностей. При використанні позаштатних вимірювальних приладів для двигунів з низьким рівнем контролепригодности можливе уточнення даної критерійної ознаки. Результати розрахунків представлені в табл..1.

Аналіз результатів, приведених в табл.1, показав, що за допомогою розробленого комплексного методу вірогідність безвідмовної роботи має порівняно достовірніші значення в порівнянні з визначенням цього показника діагностування по методу, який використовується в даний час в експлуатації. Причому також, ця тенденція справедлива, для двох різних стратегій технічного обслуговування: по стану і по ресурсу . Це пояснюється тим, що при визначенні вірогідності безвідмовної роботи по розробленому методу використовується більший масив параметричної інформації, і оцінка і, відповідно повніше і об'єктивніше. Звідси можна зробити висновок, що маючи достовірнішу оцінку вірогідності безвідмовної роботи, можна переходити на сучасніші стратегії технічного обслуговування, а також за рахунок оптимізації попереджуючих допусків параметрів збільшити інтервал ТО і тим самим підвищити економічну ефективність експлуатації ПС

У четвертому розділі наведені розроблені методичні рекомендації по застосуванню комплексного методу діагностування.

Методичні рекомендації призначені для визначення оптимального режиму ТО повітряних суден цивільної авіації з метою забезпечення безпеки польотів при підвищенні ефективності повітряних перевезень за рахунок скорочення числа відмов авіаційної техніки (АТ) у польоті.

Методичні рекомендації розроблені на підставі розрахунків і аналізу динаміки показників процесу експлуатації при різних режимах діагностування в умовах заданої стратегії технічного обслуговування і ремонту (ТоіР) АТ.

Вибір оптимальних значень показників режиму діагностування:

при і при проводиться за допомогою номограм (рис.4), побудованих для різних співвідношень економічних характеристик процесу ТОіР АТ.

Початковою інформацією для визначення оптимальних показників режиму ТОіР АТ служать параметри стратегії ТОіР, що реалізовується, характеристики даного виду виробів АТ, закономірна зміна діагностичних параметрів, економічні характеристики системи діагностування і процесу експлуатації даного виду АТ.

Дані методичні рекомендації визначають:

- основні принципи визначення оптимальних показників режиму ТОіР АТ;

- номенклатуру і об'єм початкових даних;

- послідовність визначення оптимальних показників режиму ТО АТ.

Якщо отримані характеристики надійності знаходяться в допустимих межах, приймаються значення показників режиму діагностування, визначених відповідно до розроблених рекомендацій. Якщо ні, то виконується наступний етап оптимізації показників з урахуванням обмежень, пов'язаних із стратегією експлуатації відповідно до схеми, представленої на рис 5.

З урахуванням отриманих показників надійності, режиму експлуатації виробу АТ, а також початкових вартісних показників даного типу АТ і процесу і експлуатації визначаються сумарні експлуатаційні витрати і трудомісткість виконання ТО АТ.

Висновки

У дисертації розроблений комплексний метод діагностування авіаційних ГТД, заснований на використанні параметрів, що характеризують вібраційний стан двигунів, концентрацію металів в маслі, запас газодинамічної стійкості каскадів компресора, а також пошкодженість критичних елементів двигунів.

На основі проведених досліджень можна зробити наступні висновки:

У роботі запропонований підхід до розробки комплексного методу діагностування ГТД, який може бути використаний як при реалізації стратегії ТО по ресурсу, так і по стану.

Отримав подальший розвиток комплексний метод діагностування авіаційних ГТД у напрямі оцінки і прогнозування технічного стану їх проточної частини за рахунок використання нового комплексу діагностичних параметрів. В роботі запропонований підхід до розробки комплексного метода діагностування ГТД, який може бути використаний як при реалізації стратегії ТО по ресурсу, так и за технічним станом.

В роботі запропонований підхід до розробки комплексного методу діагностування ГТД, який може бути використаний як при реалізації стратегії ТО по ресурсу, так и за технічним станом.

Розглянутий в роботі підхід дозволяє виділити характерні види несправностей для проміжних станів між станом повної справності і відмовою навіть у випадку і ідентифікувати їх причину.

Розроблена методика оцінки визначення запасу газодинамічної стійкості викликаного зміною технічного стану ГТД.

Визначені взаємозв'язки між діагностичними ознаками, що характеризують запас газодинамічної стійкості, вібраційний стан двигуна і концентрацію металу в маслі.

Отримані функціональні залежності взаємного впливу параметрів ТРДД для реалізації комплексного методу діагностування для конкретного типу двигуна.

Отримані результати, підтверджують, що за допомогою розробленого комплексного методу вірогідність безвідмовної роботи має порівняно великі достовірні значення в порівнянні з визначенням цього показника діагностування по методу, який використовується в даний час в експлуатації.

Маючи достовірнішу оцінку вірогідності безвідмовної роботи, можна переходити на сучасніші стратегії технічного обслуговування, а також за рахунок оптимізації попереджуючих допусків параметрів збільшити інтервал ТО і тим самим підвищити економічну ефективність експлуатації ПС.

Розроблений метод дозволяє визначати вірогідність безвідмовної роботи для конкретного двигуна, що з урахуванням розробленої методики дає можливість оптимізувати періодичність ТО.

Публікації за темою дисертації

1. Panin V., Voznyuk A., Sun G., Olali M. Gas turbine engine diagnosing complex method development on the bases of multiple factors analyses. ISSN 1813-1166. Proceedings of the NAU. 2006. № 3. - Р.49-52.

2. Єнчев С.В., Кінащук І.Ф., Майкл Олалі. Методи контролю технічного стану газотурбінних двигунів у процесі експлуатації // Проблеми тертя та зношування.-К.:НАУ,2007.-С.40-48.

3. Єнчев С.В., Гуз С.Ю., Вознюк А.П., Олалі М. Комплексний метод діагностування турбогвинтових двигунів // Вісник НАУ. - 2007. - № 1. - С. 109- 111.

4. Панин В.В., Енчев С.В., Олали М. Современный подход к реализации комплексной методики диагностики авиационных газотурбинных двигателей // Авиационно-космическая техника и технология: Вып.9/45. - Харьков: ХАИ.- 2007. - С.173 - 176.

Размещено на Allbest.ru

...