Комплексний метод діагностування авіаційних газотурбінних двигунів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.22.20 - Експлуатація та ремонт засобів транспорту

Комплексний метод діагностування авіаційних газотурбінних двигунів

ОЛАЛІ МАЙКЛ ОЛАЛА

Київ - 2008

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 здороження 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.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

газотурбінний двигун технічний стійкість

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.

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)

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.

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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

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

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

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

7. 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.

8. 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.

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

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

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.

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.

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

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