РАЗДЕЛ 2
РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОГО МЕТОДА
ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ГТД
Современные газотурбинные двигатели являются очень сложными техническими системами, техническое состояние которых определяется множеством параметров, а число контролируемых параметров определяется уровнем контролепригодности двигателя. Состав контролируемых параметров является базой для разработки методов диагностирования ГТД. Следовательно, при разработке предлагаемого метода диагностирования ТС двигателя и его систем первоочередной задачей является выбор рационального числа диагностических параметров, которые соответствуют определенным признакам.
2.1. Выбор и обоснование диагностических параметров ГТД
Анализируя рассмотренные в первой главе методы диагностирования технического состояния ГТД, следует отметить, что для комплексного метода в качестве диагностических параметров целесообразно использовать коэффициент концентрации железа в масле, параметр общей вибрации двигателя, величину повреждаемости критического элемента конструкции ГТД и коэффициента запаса газодинамической устойчивости, что обусловлено нижеследующим.
При использовании диагностических признаков, которые содержат спектры вибрации и шума, возникает ряд трудностей, наиболее существенными из которых являются ?10,16?:
- вариация уровней некоторых спектральных составляющих;
- низкая чувствительность спектров на начальных этапах развития таких неисправностей как трещины в элементах конструкции ГТД;
- различие в значениях фактических частот дискретных спектральных составляющих для разных двигателей одной серии;
- неточности при оценке сигналов с большим количеством близко расположенных составляющих;
- различие в уровнях дискретных составляющих (до 40 Дб);
- возможность взаимного перекрытия частотных диапазонов близко расположенных дискретных составляющих из-за влияния флуктуаций частоты вращения роторов двигателя.
Указанные недостатки делают нецелесообразным использование обобщенных энергетических спектров вибрации и шума для выявления дефектов и повреждений, зарождающихся в элементах ГТД и находящихся в стадии начального развития. Это связано с тем, что на начальной стадии развития дефектов их возникновение связано с появлением в измеряемом виброакустическом сигнале составляющих, характеризующихся малой колебательной энергией и не выделяющихся методами спектрального анализа.
С учетом возросших возможностей современного оборудования для измерения параметров вибрации и учитывая отмеченные выше недостатки при использовании признаков, содержащих спектры вибрации, в качестве диагностических, целесообразно в разрабатываемом методе использовать диагностический параметр общей вибрации двигателя .
Аналогично для оценки интенсивности процессов износа элементов конструкции коробок приводов, редукторов и опор роторов двигателей целесообразно использовать коэффициент концентрации металла в масле .
Для оценки величины повреждений критического элемента конструкции ГТД используется параметр
=, (2.1)
где - эквивалентная наработка, которая накапливается от полета к полету;
- долговечность критического элемента конструкции при параметрах эквивалентного режима нагрузки.
Выбор в качестве параметра, характеризующего ТС проточной части ГТД, относительного коэффициента газодинамической устойчивости компрессора , связан с тем, что данный параметр устанавливает взаимосвязь между положением границы устойчивости компрессора и рабочей точки на поле его характеристик, а положение рабочей точки определяется техническим состоянием всех элементов проточной части двигателя, что следует из нижеприведенного уравнения линии рабочих режимов [38,79]
, (2.2)
где - функция плотности тока на входе в компрессор;
- коэффициент, учитывающий отбор воздуха от компрессора и подвод топлива в камеру сгорания;
- площадь проходного сечения на входе в компрессор;
- функция плотности тока в минимальном сечении соплового аппарата (СА) первой ступени турбины;
- коэффициент сохранения полного давления в СА первой ступени турбины;
- коэффициент сохранения полного давления в камере сгорания;
- площадь проходного сечения СА первой ступени турбины;
;
соответственно, показатели адиабаты для газа и воздуха; механический КПД;
степень расширения в турбине;
КПД турбины;
степень повышения давления в компрессоре;
КПД компрессора.
Анализ уравнения (2.2) показывает, что положение линии рабочих режимов зависит от технического состояния элементов проточной части двигателя и его опор (подшипников ротора). Изменение ТС элементов проточной части двигателя сопровождается изменением величины КПД компрессора и турбины; коэффициентов сохранения полного давления в камере сгорания, СА турбины; площади соплового аппарата турбины ?87,89?. Изменения ТС опор ротора вызывает изменение величины механического КПД. Следовательно, изменение величины параметра в процессе эксплуатации связанно с появлением следующих неисправностей:
* закоксованность сопловых аппаратов турбины;
* прогар сопловых аппаратов турбины;
* загрязнение компрессора;
* увеличение радиальных зазоров в компрессоре;
* возрастание шероховатости лопаток компрессора и турбины;
* прогары жаровых труб в камере сгорания;
* ухудшение ТС подшипников опор двигателя.
Выбор параметра , также обусловлен тем, что между коэффициентом запаса газодинамической устойчивости и параметром существует взаимосвязь, так как, величина параметра определяется температурой газа перед турбиной, а температура газа, в свою очередь, определяет термические нагрузки на критические элементы конструкции горячей части двигателя. Данное утверждение обосновывается нижеследующим.
Запас газодинамической устойчивости определяют по формуле ?82?
, (2.3)
где и - значения температуры газа перед турбиной на границе газодинамической устойчивости и на линии рабочих режимов, на напорной к