Підвищення ефективності експлуатації газотурбінних двигунів через відновлення властивостей олив

Размещено на http://www.allbest.ru

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний авіаційний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЕКСПЛУАТАЦІЇ ГАЗОТУРБІННИХ ДВИГУНІВ ЧЕРЕЗ ВІДНОВЛЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ ОЛИВ

05.22.20 - Експлуатація та ремонт засобів транспорту

Дровнін Сергій Сергійович

Київ 2016

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано у науково-дослідній лабораторії ракетного палива та пального Національного авіаційного університету

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Казак Василь Миколайович, директор Центру новітніх технологій Національного авіаційного університету

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Панін Владислав Вадимович, Заслужений діяч науки і техніки України, Лауреат державної премії України в галузі науки і техніки, Київська державна академія водного транспорту ім. П. Конашевича-Сагайдачного, ректор

кандидат технічних наук, доцент Пащенко Сергій Валерійович, Державний науково-дослідний інститут авіації, заступник начальника інституту

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці університету за адресою: 03058, м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.062.03

д.т.н., с.н.с., доцент С.В. Павлова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення ефективності експлуатації авіаційної техніки (АТ) - актуальне наукове завдання, над яким працюють науково-дослідні установи провідних авіаційних корпорацій та колективи учених в усьому світі. Це завдання на сьогодні є особливо актуальним в Україні, адже переважна більшість АТ державної авіації України, що експлуатується, практично вичерпала свій ресурс, встановлений Розробником.

На газотурбінні двигуни (ГТД), в залежності від умов експлуатації, припадає майже 25 % загальної кількості відмов систем повітряних суден (ПС). Аналіз даних літературних джерел показує, що понад 30 % відмов та несправностей ГТД виникають через незадовільну роботу їх маслосистем (МС). Оливи є основним функціональним елементом МС, від якості яких безпосередньо залежить надійність роботи МС та елементів ГТД, які змащуються. олива газотурбінний двигун авіаційний

Як показує досвід, однією з домінуючих причин погіршення експлуатаційних властивостей авіаційних олив є присутність у них води та молекулярного кисню, які впливають на окисні та корозійні процеси. Крім того, наявність води в МС може спровокувати розриви оливної плівки, що призведе до підвищеного зношування кінематичних пар ГТД. Зокрема, у роботі Р. Кантлі (США), доведено, що зниження вмісту води в оливі зі 100 ррm до 25 ррm зменшує вірогідність відмови підшипників більш ніж у 2,5 рази. Крім того, під час консервації ГТД швидкість корозійних процесів безпосередньо залежить від вмісту води та молекулярного кисню в оливах, отже, зниження їх концентрацій дасть змогу уповільнити корозійні процеси.

Водночас, існуючі методи зневоднення авіаційних олив в установах державної авіації не забезпечують видалення води з олив до рівня вимог міжнародних стандартів (ЄС, НАТО та ін.), наприклад для авіаційної оливи TURBONYCOIL 308 (TN-308) (Франція) вміст води нормується не більше 50 ррm, а методи зменшення концентрації молекулярного кисню в оливах взагалі не регламентовано. На даний час найпоширенішим методом зневоднення авіаційних олив в Україні є теплофізичний метод, який не тільки має низькі властивості зневоднення при застосуванні, а може призвести до погіршення якості олив. Доведено, що перспективним методом зниження концентрації води та молекулярного кисню в авіаційних оливах є барботажний метод.

Аналіз результатів вітчизняних досліджень показав, що науковому завданню відновлення властивостей олив за рахунок застосування барботажної обробки приділяється недостатньо уваги. При цьому, аналіз зарубіжних джерел виявив, що даний науковий напрям взагалі не розвинутий у провідних країнах, оскільки не було проведено дослідів з оцінювання ефективності барботажного методу обробки для відновлення експлуатаційних властивостей олив через видалення води та молекулярного кисню.

Підшипники опор роторів ГТД є "ресурсоутворюючими" елементами і процес їх технічного обслуговування (ТО) та їх заміни є досить трудомістким. Тому завдання зменшення води та молекулярного кисню у авіційних оливах дасть змогу збільшити ресурс кінематичних пар і підшипників зокрема, підвищить надійність ГТД і за рахунок цього підвищити ефективну експлуатацію АТ в цілому.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано у науково-дослідній лабораторії ракетного палива та пального Національного авіаційного університету (НАУ) у відповідності до вимог "Концепції підтримання справності та бойового потенціалу авіаційної техніки авіації Повітряних Сил Збройних Сил України на період до 2025 року", планів наукових робіт Державного НДІ авіації, науково-дослідної лабораторії ракетного палива та пального, кафедри військової підготовки НАУ та 10-го Хіммотологічного центру МО України.

Завдання, що розглянуті та вирішені в дисертаційній роботі, безпосередньо пов'язані з держбюджетними НДР, в яких автор був виконавцем, а саме:

розробка технології часткової регенерації олив, НДР №759-ДБ97, 1997…1999 рр. (держ. реєстр. №9U01316201);

розробка конструкції каталізатора для зменшення забрудненості вихідних газів двигунів, НДР №951-ДБ00, 2000…2001 рр. (держ. реєстр. №0100U004017);

системні методи реконфігурації керування літальним апаратом в умовах аварійної ситуації у польоті, НДР №988 ДБ15 (держ. реєстр. №0115U002464);

розробка методики збереження експлуатаційних властивостей авіаційних олив в умовах зберігання та застосування, шифр: ОЛИВА, 2012…2015 рр.

Мета роботи і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення експлуатаційної надійності ГТД через відновлення властивостей олив за рахунок їх барботажної обробки.

Для досягнення мети в роботі було поставлено та вирішено такі завдання:

проведено аналіз факторів впливу на роботу МС, методів і способів відновлення властивостей олив при експлуатації ГТД;

досліджено фазові переходи й процеси накопичення води в МС за період типових циклів експлуатації літака типу Ил-76;

обгрунтувано доцільність використання барботажного методу і адаптовано його для видалення води та молекулярного кисню з авіаційних олив у період їх життєвого циклу, зокрема в періоди перед- та післяпольотної підготовки ПС, а також під час консервації ГТД;

удосконалено метод видалення води й молекулярного кисню з авіаційних олив за допомогою нейтрального газу;

встановлено закономірності, що пов'язують зниження концентрації води й кисню через обробку авіаційних олив з розрахунковим ресурсом підшипників опор роторів ГТД;

проведено оцінювання ступеня підвищення надійності ГТД через відновлення властивостей авіаційних олив.

Об'єктом досліджень є процеси підвищення ефективності експлуатації ГТД.

Предметом досліджень є методи підвищення ефективності експлуатації ГТД через відновлення властивостей олив.

Методи досліджень. Вирішення поставлених наукових задач було здійснено такими методами: системного аналізу, математичного моделювання, теорії планування багатофакторного експерименту та математичної статистики. При визначенні властивостей та фізико-хімічних показників якості авіаційних олив застосовувалися стандартні методи випробувань.

Наукова новизна отриманих результатів

Вперше:

- розроблено математичну модель залежності накопичення води в МС ГТД за період типових циклів їх експлуатації, що дає змогу враховувати параметри реальних термобаричних умов навколишнього середовища, газового середовища в масляних порожнинах ГТД;

- встановлено закономірності зниження концентрації води й кисню через обробку авіаційних олив, які дають можливість ефективно відновлювати експлуатаційні властивості олив; розроблено математичні моделі, на основі яких можливе здійснення коригування розрахункових ресурсів підшипників опор роторів, що забезпечує підвищення ефективності та продовження термінів експлуатації ГТД.

Удосконалено:

- метод видалення води й кисню з авіаційних олив за допомогою нейтрального газу, зокрема, отриманого за допомогою створеної газогенераторної установки (ГГУ), це дає змогу створити методичний підхід до проектування нової АТ для обробки олив на стадіях їх життєвого циклу, зокрема, при їх застосуванні на АТ.

Практичне значення одержаних результатів дисертаційної роботи полягає у тому, що виконані дослідження є теоретичним підґрунтям для розробки барботажної установки обробки авіаційних олив на базі штатних технічних засобів АТ державної авіації, що дає змогу зменшити затрати на її впровадження, а також створення номограм, за якими можливе оперативне прийняття рішення щодо потреби кількості газу, в залежності від обсягів і марок обводнених олив, фактичного рівня їх обводнення і заданого рівня зневоднення експлуатаційними службами, що відповідають за надійність ГТД, заправку ПС авіаційними оливами та безпеку польотів. Запропоновані барботажний метод обробки авіаційних олив, математичні моделі та алгоритми можуть бути використані в науково-дослідних та конструкторських установах при створенні нових та вдосконаленні існуючих зразків АТ, в установах, що забезпечують контролювання якості авіаційних олив, а також у навчальних закладах для підготовки фахівців у галузі застосування паливно-мастильних матеріалів (ПММ )та експлуатації і ремонту АТ.

Особистий внесок здобувача. Усі результати, що становлять основний зміст роботи, отримані автором особисто. У спільних роботах автору належать: розробка методичного підходу до збільшення ресурсу застосування нафтових олив через обробку їх нейтральним газом під час їх зберігання та застосування [2]; розробка технологічної схеми та обґрунтування температурного режиму роботи ГГУ для отримання нейтрального газу [3]; обґрунтування вибору параметрів барботажу при обробці олив [5]; обґрунтування застосування технології зберігання авіаційних олив в інертному середовищі [6]; обґрунтування впровадження технології збереження властивостей нафтових олив при експлуатації АТ [7]; обґрунтування впровадження методу барботажної обробки олив до нормативних документів (НД), що регламентують експлуатаційним службам виконання технологічних операцій у період зберігання олив, перед- та післяпольотної підготовки АТ [8]; розробка математичної моделі, яка описує зміну концентрації води в оливах при їх барботажній обробці [9]; аналітично-патентний пошук прототипів корисної моделі, розробка алгоритму реалізації способу одержання нейтрального газу на основі азоту, обґрунтовано вибір параметрів роботи створеної ГГУ [10]; аналіз сучасних НД у ЗС України, що регламентують порядок, норми, процедури зберігання та застосування пально-мастильних матеріалів (ПММ) [11]; обґрунтування застосування способу отримання газової суміші для обробки олив [12]; аналіз причин обводнення олив при експлуатації АТ та методів їх зневоднення, обґрунтування впровадження масообмінного методу обробки олив для збільшення ресурсів їх застосування на АТ [13]; аналіз сучасних проблем та формувань завдань з питань застосування ПММ в ЗС України [15]; визначення параметрів режимів барботажної обробки олив для збереження їх властивостей при зберіганні та застосуванні на АТ [17]; обґрунтування впливу якості олив на роботу МС двигунів при нештатних ситуаціях під час польоту ПС [19]; аналіз відмов та несправностей ГТД та їх МС, розробка методики відновлення експлуатаційних властивостей олив через барботажну обробку їх нейтральним газом [20].

Апробація результатів дисертаційних досліджень. Результати дисертаційних досліджень доповідалися на: XІI-XVІІI звітних науково-технічних конференціях (НТК), КІІЦА, 1994-1998 рр.; ІІІ-V Міжнародних НТК «АВІА-2001…2003», «Політ-2003», НАУ, 2001-2003 рр.; «Воєнна наука та освіта: сьогодення та перспективи підготовки військових спеціалістів», НАУ, 2003 р.; «Поступ у нафтогазопереробній та нафтохімічній промисловості», Львів, НУ «Львівська політехніка», 2004 р.; «Сучасний стан та проблеми авіаційної техніки ВПС ЗС України», Київ, Науковий центр ВПС ЗС України, 2004 р.; І та ІІ Міжнародних НТК «Проблеми хіммотології», Київ, 2006 р. та 2008 р.; ІІ Міжнародній НТК «Проблемы разработки, производства, оценки соответствия и применения горюче-смазочных материалов и технических средств нефтепродуктообеспечения», Москва, 2008 р.; V НТК «Поступ у нафтогазопереробній та нафтохімічній промисловості», Львів, НУ «Львівська політехніка», 2009 р.; VІ НТК «Проблемні питання розвитку озброєння та військової техніки», Київ, Центральний НДІ озброєння та військової техніки ЗС України, 2015 р.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується коректною постановкою завдань, використанням достовірних методів аналітичного й експериментального моделювання та підтверджується збігом теоретичних досліджень і експериментальних випробувань з відомими положеннями та результатами досліджень провідних учених цієї галузі.

Публікації. Основні положення та результати дисертаційної роботи викладено в 20 друкованих працях, зокрема: 6 статтях у наукових фахових виданнях, 1 у закордонному науковому виданні, 12 тезах доповідей на науково-технічних конференціях, 1 деклараційному патенті України.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Обсяг основної частини роботи становить 160 с. Робота містить 62 ілюстрації та 20 таблиць. Список використаних джерел містіть 163 найменувань. Обсяг роботи разом з додатками становить 188 с.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, окреслено науково-технічне завдання досліджень, визначено об'єкт і предмет дослідження; вказано основні результати дисертаційної роботи, що відображають новизну, обґрунтовано їх практичне значення, названо публікації та зазначено особистий внесок здобувача, окреслено апробації основних положень дисертації.

У першому розділі проведено аналіз несправностей, що виникають при функціонуванні МС ГТД у процесі експлуатації; впливу води на працездатність підшипників систем ГТД; чинників, що викликають погіршення якості авіаційних олив, та виконано постановку завдань дослідження.

На базі аналізу відомих теоретичних та практичних результатів підтверджено, що надійна робота МС ГТД залежить від якості оливи. Показано, що ресурс кінематичних пар і, зокрема, підшипників кочення сучасних ГТД залежить від умов їх роботи і експлуатаційних властивостей авіаційних олив. Підшипники опор роторів значною мірою визначають надійність і ресурс ГТД. Руйнування підшипників опор роторів ГТД приведе до заклинювання роторів і, як наслідок, до виходу з ладу всього ГТД. Заміна дефектних підшипників опор роторів ГТД потребує значних трудовитрат, оскільки виникає необхідність у повному розбиранні та збиранні ГТД. Тому підшипники опор ротора ГТД є "ресурсоутворюючими" елементами ГТД.

Проаналізовано характер пошкоджень підшипників ГТД і визначено ті явища, на які може вплинути прямо чи опосередковано якість авіаційних олив. Виявлено, що серед підшипників ГТД, які вийшли з ладу, приблизно одна третина має причиною пошкодження нормальний процес втоми, друга третина - незадовільне змащення; інші виходять з ладу внаслідок забруднень, неправильного поводження або неправильного монтажу. Встановлено, що домінуючими чинниками підвищеного зношування і виникнення дефектів кінематичних пар МС і, зокрема, підшипників опор роторів ГТД, є окислювальні та корозійні процеси, які викликані, в тому числі, наявністю води і молекулярного кисню в оливах.

Здійснено аналіз інформації щодо ураження корозією деталей п'яти типів ГТД після стоянки ПС більше 3 місяців, а саме: АЛ-31Ф (14 од.), РД-33 (12 од.), АЛ-21-Ф3 (12 од.), Р-95Ш (9 од.) і Д-30КП/КП-2 (24 од.). Встановлено, що деякі деталі були пошкоджені корозією, незважаючи на консервацію ГТД (рис. 1).

Кількість дефектів		Кількість дефектів
а)	б)
Дефекти вузлів ГТД	Дефекти МС ГТД	Дефекти паливної системи ГТД	Дефекти підшипників опор роторів	Дефекти підшипників інших агрегатів МС	Дефекти інших деталей МС ГТД
Рисунок 1 - Кількісне співвідношення уражених корозією деталей п'яти типів ГТД: а) загальне співвідношення; б) співвідношення уражених корозією деталей МС - АЛ-31Ф; - РД-33; - АЛ-21-Ф3; - Р-95Ш; - Д-30КП/КП-2.

Згідно до вимог нормативних документів (НД) на оливи МС-8П і МС-8РК вміст води в оливах - відсутність, тобто менше ніж 0,03 % (з об'єм.) або 200 ррm (з мас.). Співвідносність допустимого вмісту води дає підставу вважати, що при консервації деталі ГТД також будуть схильні до корозії у відповідних пропорціях. Аналіз відмов і несправностей ГТД, виявив, що до 20 % дефектів припадає на опори роторів ГТД. Їх відмови призводять до руйнування роторів ГТД і можуть спровокувати авіаційні події. Головними чинниками, що провокують розвиток корозійних процесів при консервуванні ГТД, є наявність у оливі води та молекулярного кисню, які негативно впливають на експлуатаційні властивості авіаційних олив і є однією з домінуючих причин, що викликають підвищене зношування і руйнування деталей ГТД.

Проведено аналіз причин і процесів накопичення води в МС при експлуатації ГТД та обґрунтовано критерій оцінювання ефективності експлуатації ГТД через відновлення властивостей олив. Показано, що на насичення водою олив найбільше впливають такі фактори: різкі перепади температур Т, вологість повітря ц та тиск навколишнього середовища Р. Концентрацію води в оливах можна представити як функцію цих величин:

С = f (T, ц, P). (1)

Виконано аналіз існуючих способів і методів зневоднення авіаційних олив. Визначено, що існуючі методи зневоднення авіаційних олив, що регламентовані вітчизняними НД, не забезпечують достатньої глибини зневоднення та не забезпечують виконання вимог міжнародних стандартів. Доведено, що перспективним є метод барботажу, реалізація якого не пов'язана з великими витратами ресурсів.

Здійснено постановку завдань, які мають у своєму складі теоретичні та експериментальні дослідження механізму накопичення води в МС при експлуатації ГТД, масообміного зневоднення авіаційних олив, зміни їх властивостей при барботажі, а також здійснення управління ресурсом підшипників опор роторів ГТД.

У другому розділі доведено, що згідно з сучасними науковими поглядами авіаційні оливи розглядаються як елементи ГТД, які безпосередньо впливають на їх надійність. Такий підхід дає можливість проводити об'єктивну оцінку якості оливи зі станом ГТД і на підставі цього вибрати шляхи відновлення властивостей олив з урахуванням особливостей конструкції ГТД та умов експлуатації.

Для оцінювання наявності й накопичення води в МС та її впливу на надійність функціонування ГТД в цілому було проведено експериментальні дослідження з накопичення води в МС ГТД Д-30КП/КП2 в період тривалих стоянок літака Ил-76 на основі результатів випробувань проб оливи, відібраних з МС ГТД.

Дослідження проводилися за таким алгоритмом. Відбір проб оливи для оцінювання вмісту води здійснювався з МС кожного з чотирьох двигунів літака Ил-76 безпосередньо перед вильотом і щогодини після прильоту. У період тривалих стоянок відбір проб здійснювався раз на добу.

Для проведення досліджень використовувався кулонометричний титратор за методом Карла Фішера C10S Compact фірми «Меттлер-Толедо», який дає змогу визначити вміст води в оливі від 1 ppm. У якості оливи в МС ГТД Д-30КП/КП2 використовувалася олива TURBONYCOIL 321 (TN-321), яка випускається французькою фірмою NYCO і є аналогом оливи МС-8П. На рис. 2 наведено частину результатів проведених досліджень зміни концентрації розчиненої води у МС двигунів Д30-КП/КП2 після виконання польотів літака Ил-76.

За результатами проведених досліджень встановлено, що зміна концентрації води в оливі має чітко окреслений експоненціальний характер. Отримано аналітичні залежності зміни концентрації води в оливі двигунів Д30-КП/КП2 після виконання польотів літака Ил-76 у перші години після прильоту і на їх основі побудовано загальну математичну модель залежності концентрації води в оливі від часу після прильоту ПС і термобарометричних умов навколишнього середовища:

, (2)

де С₀ - початкова концентрація води в оливі в момент прильоту, ppm; ф - час після прильоту, год; a₁, a₂ - коефіцієнти, які враховують термобарометричні умови навколишнього середовища. На основі емпіричних досліджень встановлено, що коефіцієнт a₁ знаходиться в межах 0,9…1,1, а коефіцієнт a₂ - в межах 0,2…0,5.

Виявлено, що при виконанні польоту ПС концентрація води в оливі зростає майже до максимального рівня, який можливий при робочій температурі оливи (80…90 ^о С) та вологості масляного туману у порожнинах опор роторів ГТД.

а)	б)
Рисунок 2 - Зміна концентрації розчиненої води в оливі МС двигунів Д30-КП/КП2 після виконання польотів літака Ил-76: а) чотиригодинний політ; б) двогодинний політ
	- двигун №1,		- двигун №2;		- двигун №3,		- двигун №4

Доведено, що чим менша різниця температур вимкненого ГТД і навколишнього середовища, тим менше води виділиться як вільної води в МС ГТД і тим більше її може бути розчинено в оливі. Встановлено також, що чим менша різниця температур, тим швидше спадає концентрація води в оливі.

Зі зниженням температури оливи знижується рівень рівноважної розчинності й утворюється надлишок води, що виділяється в дисперсну фазу, а також переходить у парову фазу масляних порожнин. При швидкому охолодженні оливи в МС майже вся надлишкова вода виділяється в дисперсну фазу. Встановлено також, що приблизно через 5…7 годин після прильоту ПС ступінь розчинності води в оливі через вирівнювання температур МС та навколишнього середовища знижується, і концентрація води в оливі сягає свого мінімального значення, яке може бути значно меншим за значення рівня концентрації води в оливі перед вильотом ПС на 30…40 %, що свідчить про конструктивно закладені регенераційні властивості МС ГТД.

На підставі аналітичних та експериментальних даних запропоновано узагальнену математичну модель визначення концентрації вологи в оливі МС ГТД у перші години прильоту ПС:

, (3)

де С₁ - максимальне значення концентрації води, розчиненої в оливі безпосередньо після польоту, ррm; С₂ - максимально можливе значення концентрації води, розчиненої в оливі при температурі навколишнього середовища безпосередньо після посадки, ррm; ц - відносна вологість масляного туману в порожнинах опор роторів, %; S - площа контакту оливи і газового середовища масляного бака, м²; ДT - різниця температур оливи в МС та навколишнього середовища в момент прильоту, К; P - тиск навколишнього середовища, Па; V - об'єм оливи в МС, м³; в - коефіцієнт, що дорівнює кількості секунд у добі (86400); ф - час, сек, b - калібровочний коефіцієнт, що враховує варіативність параметрів від певних умов, (К·кг)/с.

Коефіцієнт b залежить від Т та Р навколишнього середовища а також від ц та конструктивних особливостей МС ГТД. Для кожного випадку він має бути визначений експериментально.

Проведено дослідження процесу накопичення води в масляних порожнинах ГТД, який починається у разі стоянки ПС тривалістю понад 7 годин. Відбір проб здійснювався з МС кожного з чотирьох двигунів упродовж 21 доби раз на добу. Частину результатів наведено на рис. 3.



а)	б)
Рисунок 3 - Накопичення концентрації розчиненої води у оливі МС двигунів Д30-КП/КП2 після виконання польотів літака Ил-76 упродовж 21 доби: а) - середньодобова температура навколишнього середовища 180С, відносна вологість 85%, б) - середньодобова температура навколишнього середовища 140С, відносна вологість 95%
	- двигун №1,		- двигун №2,		- двигун №3,		- двигун №4

Накопичення води в МС ГТД має асимптотичний характер, і прямує до максимально можливого значення концентрації води в оливі в залежності від температури та тиску навколишнього середовища, а також вологості у порожнинах опор роторів ГТД і навколишнього середовища. Концентрація води в оливі може збільшитися більш ніж у два рази і досягає максимальних значень приблизно через 15…20 діб після прильоту ПС. Швидкість процесу зміни концентрації (накопичення вологи) в оливі залежить від початкової її концентрації в оливі у момент прильоту ПС. Для отриманих залежностей було проведено апроксимацію поліномом другого порядку, який є найбільш доцільним (коефіцієнт детермінації R² = 0,990…0,997). Загальний вид отриманої залежності має вигляд:

, (4)

де С_min - мінімальна концентрація води в оливі після прильоту ПС, ppm; t - час після прильоту, діб; l₁, l₂, l₃ - коефіцієнти, які враховують термобарометричні умови навколишнього середовища.

На підставі емпіричних досліджень виявлено, що коефіцієнт l₁ знаходиться в межах 0,005…0,100; коефіцієнт l₂ - в межах 2…4, а коефіцієнт l₃ - в межах 0,9…1,1. Зокрема, для середньої лінії накопичення води (рис. 3а) отримані такі дані: l₁ = 0,0329; l₂ = 2,5086; l₃ = 1,047; а для середньої лінії накопичення води (рис. 3б): l₁ = 0,0631; l₂ = 2,6604; l₃ = 0,997.

Доведено, що для видалення води з авіаційних олив доцільно адаптувати та застосувати барботажний метод через використання нейтрального газу, зокрема отриманого за допомогою створеної ГГУ.

Проведено математичний опис механізму масообміну в системі «олива-вода-газ». Барботажний шар системи «олива-вода-газ» має складну структуру, тому що він негомогенний, деякі його фізичні параметри невизначені, відсутня фіксована поверхня розділу фаз. Вона постійно змінює свою величину і форму, спливаючі бульбашки та струмені газу створюють міцні циркуляційні токи рідини. Тому для опису фізичних процесів у системі «олива-вода-газ» розроблено математичну модель масообміну з урахуванням законів збереження мас, зміни кількості руху та рівнянь динамічного і напруженого стану речовини. Математичний опис процесу масообміну під час барботажу у загальному вигляді зводиться до розв'язання системи рівнянь:

. (5)

Перше рівняння системи визначає функцію струму , тобто кількість речовини, яка проходить через одиницю площини за одиницю часу, U, U_r - складові швидкості U перенесення маси вологи в системі «олива-вода-газ» , і r - змінні системи координат. Залежність між лапласіаном ², функцією струму , вектором швидкості та коефіцієнтом кінематичної в'язкості авіаційної оливи , з використанням рівнянь Навьє-Стокса і формули Остроградського-Гаусса, визначено другим рівнянням системи. На підставі ІІ закону Фіка виведено третє рівняння системи (5), в якому: D - коефіцієнт дифузії, який враховує молекулярне та вихрове перенесення маси речовини; С_і - концентрація часток i-гo компоненту.

Процес масообміну залежить від особливостей конструкції барботажних пристроїв, тому застосування системи рівнянь (5) при роботі реальних систем «олива-вода-газ» можливе за виконання необхідних умов ефективного масообміну - час контакту фаз повинен бути достатнім для завершення дифузійних процесів ф_д в системі «олива-вода-газ».

Запропонований коефіцієнт ефективності вологообміну Дф:

Дф = ф_к / ф_д , при ф_к > ф_д. (6)

На основі законів газогідродинаміки визначено параметри процесу барботажу та встановлено залежності конструктивних особливостей барботажних пристроїв, які лягли в основу методичного підходу до проектування обладнання обробки авіаційних олив на стадіях їх життєвого циклу, основних фізико-хімічних властивостей (ФХВ) рідини та газу:

, (7)

де б - коефіцієнт, що враховує конструкцію барботажного пристрою; - коефіцієнт, що враховує ФХВ рідини та газу.

Умови масообміну: при Дф < 1 масообмін не ефективний, при Дф >> 1 гарантовано завершуються дифузійні процеси за час ф_к.

У третьому розділі на основі зазначених методів виконано експериментальні дослідження процесу масообміну в системі «олива-вода-газ» та процесу зневоднення олив і зміни їх фізико-хімічних показників під час барботажу різними газами, визначено основні параметри барботажу та барботажних пристроїв. Для корекції залежності (7) визначено діапазони основних параметрів барботажу та барботажних пристроїв. Динаміку процесу зневоднення запропоновано оцінювати на основі коефіцієнту ефективності обробки:

С =1 - С / С_о, (7)

де С , С_о - поточна та початкова концентрація вологи у рідкій фазі, відповідно, ррm.

Встановлено, що відсотковий вміст розчинених газів у оливі зміщений у бік збільшеного вмісту молекулярного кисню і залежить від ФХВ олив.

Частина результатів експериментів з оцінювання інтенсивності зневоднення авіаційних олив марок TN-321, TN-308 та МС-8П наведено на рис. 4.

а)	б)
Рисунок 4 - Залежність інтенсивності зневоднення авіаційних олив: а) від розміру отворів dо у барботері; б) від витрати газу Qг
- TN-321, - TN-308; - МС-8П

Аналіз даних (рис. 4) показав, що залежності інтенсивності зневоднення олив від розміру отворів d_о у барботері (рис. 4а) з високою достовірністю (R² = 0,96…0,98) апроксимуються поліномом другого порядку. Загальний вид отриманої залежності для поточної концентрації води в оливі має вигляд:

. (9)

Коефіцієнт q₁ знаходиться в межах 0,0003…0,002; q₂ - у межах - 0,12…- 0,07; q₃ - в межах 0,8…0,9. Для кожного типу оливи та умов навколишнього середовища коефіцієнти повинні бути визначені експериментально. Зокрема, для олив (рис. 4а) TN-321: q₁ = 0,0003, q₂ = - 0,0752, q₃ = 0,8956; для TN-308: q₁ = 0,0029, q₂ = - 0,1012, q₃ = 0,8177; для МС-8П: q₁ = 0,0009, q₂ = - 0,0809, q₃ = 0,8487.

Встановлено, що залежності інтенсивності зневоднювання олив від витрати газу Q_г (рис. 4б) з високою достовірністю (R² = 0,96…0,98) апроксимуються поліномом третього порядку. Загальний вид отриманої залежності для поточної концентрації води в оливі від витрати газу має вигляд:

. (10)

Коефіцієнт r₁ = 0,0002; r₂ знаходиться в межах - 0,0121…- 0,011; r₃ - в межах 0,18…0,2; r₄ - в межах - 0,05…0,24. Зокрема, для (рис. 4б) TN-321: r₁ = 0,0002, r₂ = - 0,011, r₃ = 0,1814, r₄ = 0,0008; для TN-308 308: r₁ = 0,0002, r₂ = - 0,0121, r₃ = 0,1958, r₄ = 0,2311; для МС-8П: r₁ = 0,0002, r₂ = - 0,0117, r₃ = 0,1905, r₄ = - 0,0639.

Для характеристики, що враховує об'єми оливи та газу, запропоновано коефіцієнт кратності продувки:

к = V_г/V_о , (11)

де V_г , V_о - об'єми газу та оливи, що потребує обробки, відповідно.

Частина результатів експериментів щодо залежності ефективності зневоднення олив від часу барботажу марок TN-321, TN-308 та МС-8П, а також залежності ефективності зневоднення оливи МС-8П від висоти барботажного шару наведено на рис. 5. Зміна концентрації вологи від часу барботажу (рис. 5а) може бути з досить високою точністю (R² = 0,842…0,957) описана за допомогою логарифмічної апроксимації загального виду:

. (12)

Коефіцієнт g₁ знаходяться в межах 0,36…0,38; g₂ - в межах 0,1…0,25. Для (рис. 6а) TN-321: g₁ = 0,3736, g₂ = 0,1769; для TN-308: g₁ = 0,3788, g₂ = 0,1101; для МС-8П: g₁ = 0,3658, g₂ = 0,2329.

а)

б)

Рисунок 5 - Залежності ефективності зневоднення олив: а) від часу барботажу олив

- TN-321; - TN-308; - МС-8П;

б) від висоти барботажного шару зневоднення МС-8П

- h=0,1м;

h=0,2м;

h=0,3м;

h=0,4м;

h=0,5м

Залежність ефективності зневоднення оливи МС-8П від висоти барботажного шару (рис. 5б) також може бути описана за допомогою логарифмічної апроксимації загального виду (12) з досить високою точністю (R² = 0,930…0,992).

На підставі аналізу даних проведених досліджень запропоновано методичний підхід до проектування обладнання обробки авіаційних олив на стадіях їх життєвого циклу. На основі розроблених рекомендацій розроблено та виготовлено лабораторну барботажну установку з оптимальними параметрами з використанням нейтрального газу для барботажу, обґрунтовано діапазони роботи установки.

При продувці обводнених олив азотом спостерігається заміщення молекулярного кисню азотом, що підвищує їх хімічну та термічну стабільність. Досліджено зміну обводнення та газовмісту авіаційних олив при обробці їх нейтральними газами. Отримано відповідні результати, частину яких наведено на рис. 6.

а)	б)
Рисунок 6 - Зміна концентрації вологи і молекулярного кисню від кратності продувки авіаційних олив нейтральним газом, що отриманий за допомогою створеної ГГУ: а) вологи; б) молекулярного кисню
		- TN-321;		- TN-308;		- МС-8П

Зміна концентрації вологи від кратності продувки авіаційних олив нейтральним газом (рис. 6а) може бути з досить високою точністю (коефіцієнт детермінації R² = 0,874…0,977) описана за допомогою логарифмічної апроксимації загального виду:

. (13)

Коефіцієнт s₁ знаходяться в межах 0,35…0,4; s₂ - в межах 0,08…0,25. Для олив (рис. 6а) TN-321: s₁ = 0,3788, s₂ = 0,1745; для TN-308: s₁ = 0,3863, s₂ = 0,0849; для МС-8П: s₁ = 0,3735, s₂ = 0,2084.

Зміна концентрації молекулярного кисню від кратності продувки авіаційних олив нейтральним газом (рис. 6б) може бути з досить високою точністю (R² = 0,915…0,945) описана за допомогою показникової апроксимації загального виду:

. (14)

Коефіцієнт J₁ знаходяться в межах 1,0…5,0; J₂ - в межах - 1,5…0,5. Для олив (рис. 6б) TN-321: J₁ = 1,2198, J₂ = - 0,6544; для TN-308: J₁ = 3,0885, J₂ = 0,1247; для МС-8П: J₁ = 4,5571, J₂ = -1,0908.

Встановлено залежності інтенсивності зневоднювання від: часу барботажу, початкового вологовмісту, ФХВ оливи і кратності продувки та залежність зміни концентрації води в авіаційних оливах від кратності продувки:

, (15)

де n - коефіцієнт, що враховує ФХВ авіаційних олив.

На базі результатів досліджень було доведено, що запропонований удосконалений барботажний метод та розроблена установка дають змогу знизити концентрацію води в оливі майже у 10 разів і вміст кисню до 0,2 %, що забезпечує виконання вимог міжнародних стандартів.

У четвертому розділі наведено результати реалізації теоретичних і експериментальних досліджень та обґрунтовано методичні рекомендації щодо формування НД, що регламентують процедури: заміни, доливу олив в МС, а також консервації ГТД. Розроблено рекомендації щодо управління ресурсом підшипників опор роторів ГТД на основі відновлення експлуатаційних властивостей авіаційних олив.

Скоригований розрахунковий ресурс L_na для особливих властивостей підшипників і особливих експлуатаційних умов, згідно з вимогами ІSО 281-89, визначають на основі залежності:

L_na = а₁ а₂ а₃ L₁₀, (16)

де L₁₀ - базовий розрахунковий ресурс, який відповідає 90 % надійності підшипника, а₁ - коефіцієнт, що коригує ресурс в залежності від надійності, a₂ - коефіцієнт, що коригує ресурс у залежності від спеціальних властивостей підшипника, a₃ - коефіцієнт, що коригує ресурс в залежності від умов роботи підшипника. На коефіцієнт a₃ впливає, зокрема, якість оливи. При високій якості оливи значення a₃ може бути більше, ніж одиниця. Проведення барботажної обробки авіаційних олив з визначеною періодичністю забезпечує відновлення їх якості через видалення води та кисню. Це дає змогу коригувати коефіцієнт a₃ у напрямку збільшення, і, таким чином, здійснювати управління ресурсом підшипників опор роторів ГТД.

При формуванні регламентів ТО та процедури консервування ГТД ПС запропоновано методику обробки авіаційних олив нейтральним газом. Розроблено структурну схему основних операцій процесу обробки авіаційних олив (рис. 7), яка є основою створення технології їх обробки.

Рисунок 7 - Структурна схема основних операцій процесу обробки авіаційної оливи у період перед- і післяпольотної підготовки та консервації АТ

Опис окремих дій, операцій і процедур запропоновано проводити в такій послідовності:

1) D₁(V_о) - визначення об'єму обводненої оливи V_о, м³;

2) D₂(С₀) - визначення кількості й фазового стану води в оливі об'ємом V_о, %;

3) D₃(ПВ) - видалення вільної (підтоварної) і емульгованої води;

4) D₄(h_бк, D_бк, nd_о) - розрахунок основних параметрів барботажного пристрою, а саме: висоту h_бк і діаметр D_бк барботажної колони, діаметр d_о і кількість n одиночних отворів в барботері;

5) D₅Q_г, S_к(d_п(d_о)), ф_б - визначення основних параметрів барботажну, а саме: витрати газу Q_г, площі S_к і часу контакту рідкої і газової фаз ф_б;

6) D₆(ф1) - визначення ефективності вибору параметрів барботажу і барботажного пристрою;

7) D₇ к (V_г(V_о)) - розрахунок кратності обробки: к = V_г/V_о;

8) D₈(V_о^к) - обробка контрольної проби обводненої оливи V_о^к;

9) D₉(С_ф) - розрахунок концентрації води після обробки контрольної проби обводненої оливи V_о^к;

10) D₁₀(V_г) - визначення (корекція) кількості газу, необхідного для зневоднення об'єму обводненої оливи V_o, відповідно до залежності: V_г = кV_o;

11) D₁₁m_а(V_г(V_о)) - визначення кількості (маси) матеріалу для отримання необхідної кількості нейтрального газу V_г у разі застосування ГГУ;

12) D₁₂Об(V_о) - опис процедури обробки всього об'єму V_о обводненої оливи;

13) D₁₃(С_ф) - опис процедури визначення концентрації води С_ф після обробки всього об'єму V_о.

Здійснено технічну реалізацію методу відновлення якості авіаційних олив у період перед- і післяпольотної підготовки ПС та при консервації ГТД. На базі штатних у державній авіації технічних засобів запропоновано створити барботажну установку, а також при проведенні процедури барботажу рекомендовано застосовувати схему обробки авіаційних олив (рис. 8).

Рисунок 8 - Схема обробки авіаційних олив: 1 - ємність для відстоювання олив (рідин); 2 - трубопровід для подачі стисненого газу; 3 - барботажна колона; 4 - трубопровід для подачі оливи; 5 - агрегат механізованої заправки; 6 - роздавальний кран

Використання штатних технічних засобів державної авіації дасть змогу знизити витрати на впровадження удосконаленого барботажного методу.

Схему модернізованого агрегату механізованої заправки АМЗ-53 МЮ наведено на рис. 9.

Рисунок 9 - Схема модернізованої АМЗ-53 МЮ: 1 - засувка; 2 - зворотній клапан; 3, 16 - фільтри; 4, 7 - манометри; 5, 6 - редуктори; 8 - зарядний штуцер пневмосистеми; 9 - кран газового балона; 10 - газовий балон; 11 - зворотній клапан; 12 - роздавальний пістолет з наконечником для закритої заправки оливою МС ГТД; 13 - витратомір; 14 - показник рівня; 15 - роздавальний рукав; 17 - зворотній клапан кулькового типу; 18 - бак (барботажна колона); 19 - зливний кран

Для оцінки ефективності запропонованого методу обробки олив обрано критерій підвищення відносного ресурсу підшипників опор роторів ГТД та економічний критерій ефективності, щодо впровадження цього методу.

Проведено експеримент для оцінювання критерію підвищення відносного ресурсу підшипників опор роторів ГТД. Для цього здійснено барботажну обробку оливи МС двох ГТД у період перед- та післяпольотної підготовки, а також при довготривалій стоянці ПС з періодичністю 1 раз на 10 діб. Отримані результати було порівняно результатами концентрації розчиненої води в оливі, отриманими при відборі проб із МС інших двох ГТД (рис. 10).

Рисунок 10 - Зміна відносної концентрації води у оливі МС літака Ил-76 (усереднені дані для пар двигунів): 1 - без застосування барботажної обробки, 2 - при застосуванні барботажної обробки

За результатами аналізу даних встановлено, що при проведенні перед- і післяпольотної барботажної обробки концентрація розчиненої води у оливі зменшувалася у 1,39…8,2 рази у порівнянні з концентрацією води у необробленій оливі. У середньому концентрація води в оливі з урахуванням концентрації води після польоту при застосуванні барботажної обробки, зменшилася зі 123 ppm до 46 ppm, тобто у 2,66 рази. Встановлено, що проведення післяпольотної барботажної обробки дає змогу видалити розчинену воду з оливи, яка у разі охолодження оливи переходить у вільну воду і осаджується у порожнинах опор роторів МС ГТД.

Проведено дослідження зміни ФХВ оливи без застосування і з застосуванням барботажної обробки при експлуатації ГТД. Частину результатів досліджень наведено на рис. 11а.



а)	б)
Рисунок 11. Результати зміни ФХВ оливи та відносного ресурсу підшипників опор роторів при застосуванні запропонованого барботажного методу: а) пелюсткова діаграма зміни фізико-хімічних властивостей оливи TN-321 відносно нормованих значень: 1 - згідно НД; 2 - для оливи перед застосуванням, 3 - після 200 годин напрацювання без проведення барботажу, 4 - після 200 годин напрацювання з проведенням барботажу, С - концентрація розчиненої води в оливі, С02 - вміст молекулярного кисню в оливі, dПЗ - діаметр плями зношування, КЧ - кислотне число, Тсп - температура спалаху, показники термоокиснювальної стабільності: н+50 (ТОС) - кінематична в'язкість, КЧ (ТОС), осад (ТОС) та корозійність (ТОС); б) залежність відносного ресурсу підшипників від вмісту розчиненої води у змащувальній оливі: 1 - результати досліджень Р. Кантлі та компанії Vaisala; 2 - оцінка зміни відносного ресурсу підшипників опор роторів ГТД за експериментальними даними

Запропонований метод обробки авіаційних олив забезпечує відновлення змащувальної та антикорозійної властивостей (рис. 11а), що характеризуються показниками С, С₀₂, d_ПЗ, КЧ, Т_сп, н⁺⁵⁰ (ТОС), КЧ (ТОС), осад (ТОС) та корозійність (ТОС).

Отримані результати було зіставлено з узагальненими результатами досліджень Р. Кантлі (США) та науковців компанії Vaisala (Фінляндія) залежності відносного ресурсу підшипників від вмісту розчиненої води в оливі (100 % відносний ресурс підшипників взято при кількості розчиненої води у оливі 100 ppm) (рис. 11б). Аналіз даних показав, що при застосуванні запропонованого методу обробки авіаційних олив можливо підвищити ресурс підшипників опор ротора ГТД у більше ніж 2 рази. Отримано вираз, що пов'язує вміст розчиненої води у оливі з відносним ресурсом підшипників із досить високою точністю (R² = 0,9777):

, (17)

де С - вміст розчиненої води у змащувальній оливі, ppm.

Для розробки номограм можна скористатися отриманою залежністю (рис. 11б) для прогнозування зміни відносного ресурсу підшипників, що дає змогу здійснювати управління ресурсом підшипників опор роторів ГТД.

Доведено, що впровадження даного методу обробки авіаційних олив дає можливість знизити витрату оливи до 5 %. Зниження витрати оливи можна пояснити тим, що вода має температуру кипіння нижчу, ніж олива, а при роботі МС утворює водо-масляну емульсію. Перехід води у парову фазу створює надлишковий тиск у порожнинах опор роторів ГТД, що є причиною викиду масляного туману через систему суфлювання МС. Запропоновано методичний підхід до побудування номограм з використанням отриманих залежностей (7,9,10,12…15) для застосування масообмінного зневоднення авіаційних олив у період перед- та післяпольотної підготовки, тривалих стоянок ПС та консервації ГТД. За допомогою номограм можна здійснювати оперативне прийняття рішень про оптимальну кількість газу V_г, в залежності від об'ємів та марок авіаційних олив V_М, фактичного рівня їх обводнення С₀ і необхідного ступеню зневоднення С. Цю методику доцільно застосовувати при формуванні НД, які регламентують порядок ТО при зміні та доливі авіаційних олив в МС ГТД.

Показано, що у разі тривалої стоянки ПС більше ніж 15 діб та при консервації АТ у весняно-літній період доцільно проводити барботажну обробку оливи не рідше разу на місяць.

Таким чином, запропонований вдосконалений метод обробки авіаційних олив дасть змогу знизити концентрацію води і молекулярного кисню в оливах і, відповідно, підвищити ресурс елементів опор роторів ГТД, що в цілому забезпечить підвищення експлуатаційної надійності ГТД.

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішено важливе науково-практичне завдання - підвищення експлуатаційної надійності ГТД через відновлення властивостей олив за рахунок їх барботажної обробки.

1. На основі аналізу проблем, що виникають у роботі МС ГТД, встановлено, що домінуючими факторами, що впливають на незадовільну роботу кінематичних пар і, зокрема, підшипників опор роторів ГТД, є окислювальні й корозійні процеси, які здебільшого викликані наявністю води і молекулярного кисню в оливах. Проведено аналіз існуючих методів і способів відновлення властивостей олив, за результатами якого доведено, що способи зневоднення олив, які регламентовані чинними державними НД, не забезпечують достатньою мірою їх зневоднення, а метод і спосіб видалення молекулярного кисню з олив взагалі не регламентовано.

2. Досліджено фазові переходи і процеси накопичення води в МС за період типових циклів експлуатації ГТД літака Ил-76, отримано залежності накопичення води в МС та на їх основі розроблено математичну модель, що дає змогу враховувати параметри реальних термобаричних умов навколишнього середовища та газового середовища в порожнинах МС ГТД.

3. Обґрунтовано необхідність розробки ефективного способу обробки авіаційних олив, який забезпечуватиме заправку МС оливами з низьким вмістом води і молекулярного кисню, що дозволить підвищити ефективність та тривалість експлуатації ГТД.

4. Обґрунтовано доцільність застосування барботажного методу обробки авіаційних олив з використанням нейтрального газу, зокрема, отриманого за допомогою створеної ГГУ, для видалення води і кисню з авіаційних олив в період перед- і післяпольотної підготовки ПС, а також при консервації ГТД. Проведено формалізацію механізму масообміну в системі «олива-вода-газ».

5. Запропоновано і розроблено методичний підхід до проектування обладнання обробки авіаційних олив на стадіях їх життєвого циклу. Розроблено та виготовлено лабораторну барботажну установку, яка дозволяє знизити концентрацію води майже у 8 разів і вмісту кисню до 0,2 %. Розроблено алгоритм виконання операцій з обробки авіаційних олив у процесі перед- і післяпольотної підготовки ПС та при консервації ГТД.

6. Отримано залежності оцінки ефективності обробки авіаційних олив від вибору: одиночних отворів в барботері, витрати газу, висоти барботажного шару, часу барботажу, початкового вологовмісту і кратності продувки олив нейтральним газом, на основі яких розроблені узагальнені математичні моделі, що враховують параметри барботажу та ФХВ олив.

...