Диагностирование двигателя НК-16СТ в наземных стационарных установках

На эксплуатируемых двигателях НК-16СТ в Уренгойском газовом управлении проводится общий анализ отбираемого на пробы масла, проверяется:

- температура вспышки;

- вязкость и наличие механических примесей.

Существует ряд методов для обнаружения дефектов в узлах трения газотурбинных двигателей, например:

- спектральный (атомно-эмиссионный, рентгенофлуоресцентный);

- феррографические методы анализа.

Оценка технического состояния двигателя по результатам измерения параметров частиц базируется на следующих основных принципах:

- в исправном двигателе параметры частиц износа в пробе масла достигают определённого базового значения и с наработкой двигателя не изменяются;

- при появлении дефекта параметры частиц в пробе масла увеличиваются, т.е. чем больше содержание металлов в масле относительно базового значения, тем больше износ;

- при возникновении дефекта содержание металла пропорционально повышается во всех размерных фракциях.

4.1 Атомно-эмиссионный метод определения концентрации металлов в смазочных авиационных маслах

Основные преимущества атомно-эмиссионного метода являются:

1) возможность одновременной регистрации и измерения концентрации большого круга элементов, что позволяет не только оценить общее техническое состояние двигателя, но и локализовать неисправность в случае её появления.

2) достаточно низкие пределы обнаружения по основным элементам (порядка n · 10^-4 % для Fe и Cu).

Для измерения концентрации элементов в смазочном масле используются установки типа МФС различных модификаций (МФС-4, МФС-5, МФС-7). Принцип действия всех без исключения установок одинаков. Они различаются только способом подачи пробы в источник возбуждения спектров и аппаратным оформлением (рис. 24).

Рис. 24. Структурная блок-схема атомно-эмиссионного спектрометра

1 - источник возбуждения спектров; 2 - угольные электроды; 3 - осветительная линза; 4 - входная щель полихроматора; 7, 5 - объектив коллиматора; 6 - диспергирующий элемент (призма); 8 - камерный объектив; 9 - выходные щели полихроматора; 10, 11 - фотоумножители; 12 - накопительные конденсаторы; 13 - измерительные приборы

Источник возбуждения спектров. Проба масла с помощью пипетки закапывается в нижний фасонный угольный электрод и высушивается. После высушивания масла между угольными электродами зажигается дуга переменного тока. Ток дуги устанавливается в пределах 3-3,5 А при питающем переменном напряжении 220 В.

Температура дугового разряда зависит от подводимой электрической мощности и природы газа в межэлектродном промежутке. В смесях эта температура определяется наиболее легкоионизируемым элементом. Так, температура дуги с чисто угольным электродами в воздухе составляет около 7000 К, при введении в дугу цезия температура понижается до 3000 К. Вводя легкоионизируемые элементы в плазму дуги, можно регулировать её температуру и, соответственно, условия возбуждения измеряемых элементов.

Если температура дуги достаточна для возбуждения, то при переходах между двумя энергетическими уровнями наблюдают спектральную линию, характеризующуюся длиной волны. Линии, для которых соответствующие переходы оканчиваются на основном уровне, называются резонансными, и их чаще всего используют в качестве аналитических для определения наименьших концентраций элемента. С ростом температуры дуги возрастает интенсивность линий. Однако, поскольку каждый элемент характеризуется индивидуальными атомными константами, то максимальная интенсивность для конкретного элемента будет наблюдаться только при вполне определённой температуре. В табл. 2 приведены значения температуры дуги, обеспечивающие максимальную интенсивность спектральных линий для элементов, которые могут встречаться в масле в виде частиц износа.

Из табл. 2 следует, что температура угольной дуги достаточна для возбуждения всех элементов, представляющих интерес с диагностической точки зрения. Причём, различие оптимальных температур для каждого из элементов сравнительно невелико. Это означает, что в дуге возможно одновременное определение перечисленных в таблице элементов с наименьшими пределами обнаружения.

Таблица 2

Температура дуги, обеспечивающая максимальную интенсивность излучения спектральных линий

4.2 Рентгенофлуоресцентный метод определения концентрации металлов в смазочных маслах

Рентгенофлуоресцентный метод анализа основан на использовании вторичного (флуоресцентного) рентгеновского излучения, возникающего при взаимодействии пучка первичного излучения с веществом. Атомы вещества, ионизируемые первичным излучением, испускают собственное излучение, характеризующее эти атомы. Таким образом, интенсивность и спектральный состав флуоресцентного излучения является источником информации об элементном составе облучаемого объекта.

Рентгенофлуоресцентный метод пригоден для анализа любых агрегатных состояний вещества. Диапазон определяемых содержаний - от 0,00005 до 100%. В оптимальных условиях точность анализа достигает величины порядка 0,3% отн. Метод позволяет определять содержание более 30 элементов одновременно. Экспрессность метода может быть доведена до 1-5 мин. на пробу. Процесс анализа на современных рентгеновских флуоресцентных спектрометрах полностью автоматизирован.

4.3 Рентгенофлуоресцентная аппаратура для проведения анализа

Рентгенофлуоресцентная аппаратура делится на две большие группы по способу разложения в спектр и детектирования флуоресцентного излучения (рис. 25):

Рис. 25. Блок-схема рентгеновского спектрометра:

1 - рентгеновская трубка; 2 - высоковольтный источник питания рентгеновской трубки; 3 - анализируемый образец; 4 - детектор флуоресцентного излучения; 5 - источник питания детектора; 6 - электронные блоки обработки и представления информации; 7 - система автоматического управления; 8 - ЭВМ

1) Кристалл-дифракционная аппаратура (аппаратура с волновой дисперсией). Использует кристалл-анализаторы, обеспечивающие весьма высокое спектральное разрешение по длинам волн. Разложение флуоресцентного излучения в спектр происходит в детекторе 4 (рис. 25).

2) Бездифракционная аппаратура (или аппаратура с энергетической дисперсией). Использует энергодисперсионные детекторы рентгеновского излучения, также обозначенные на рис. 25 позицией 4. Остальные элементы рентгенофлуоресцентного спектрометра, представленные на рис. 25, одинаковы для кристалл-дифракционной и бездифракционной аппаратуры. Бездифракционная аппаратура отличается высокой светосилой, сравнительно малыми габаритами, небольшим энергопотреблением и невысокой стоимостью. Важным достоинством этой аппаратуры является возможность получить информацию об интенсивности почти всех формирующих пробу элементов за одну экспозицию, как и для многоканальных спектрометров. Но влияние основы пробы, распределения частиц по размерам на величину аналитического сигнала и недостаточно низкий предел обнаружения ограничивают диагностические возможности рентгенофлуоресцентного метода.

4.4 Феррографический метод оценки технического состояния авиадвигателей

Феррографический анализ масла был предложен В. Весткоттом, Д. Андерсоном, Р. Боуэном. Он заключается в осаждении частиц износа из пробы масла в магнитном поле на поверхности стеклянной пластины с последующим их анализом на микроскопе. Частицы с одинаковыми магнитными свойствами осаждаются на пластину в соответствии с их размером: сначала крупные, затем более мелкие. Частицы одинакового размера, но с различными магнитными свойствами осаждаются в соответствии с их магнитной восприимчивостью.

Феррографический способ анализа, в отличии от спектрального, предоставляет значительно больше информации о частицах износа. Данным способом представляется возможность оценить размер, индекс износа, форму и состояние поверхности частиц, которая позволяет идентифицировать вид износа.

Казалось бы, при таком количестве информации об износных частицах должны отсутствовать промахи в оценке технического состояния двигателей. Однако на практике не всегда удаётся поставить точный диагноз.

Несмотря на длительное применение спектрального и феррографического метода (более 25 лет), в трибодиагностике газотурбинных двигателей остаются существенные проблемы. Так, по данным НПО «Сатурн», спектральный анализ выявляет не более 11% двигателей Д-30КП / 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.

Повысить эффективность диагностирования при спектральном анализе можно прежде всего за счёт снижения случайной составляющей погрешности при измерении содержания металлической примеси в масле. Для этого предлагается использовать стандартный образец (СО): для атомно-эмиссионных спектрометров - на основе маслорастворимой металлоорганической примеси (СО фирмы Conostan), для рентгенофлуоресцентной аппаратуры - на основе водного раствора ионов металлов либо чистых металлов.

Однако имеющийся фактический материал заставляет сомневаться в справедливости отмеченных выше основополагающих признаков оценки технического состояния ГТД. Поэтому необходимо выявить основные причины низкой эффективности диагностирования ГТД спектральным и феррографическим методом, чтобы сформулировать затем возможные пути решения проблемы.

Атомно-эмиссионный способ измерения элементного состава вещества является относительным, и для количественного измерения содержания элементов он должен быть отградуирован с помощью стандартного образца (СО). Основным требованием, предъявляемым к СО, является его максимально близкое (в идеале - полное) соответствие по физико-химическим характеристикам анализируемой пробе.

Следует отметить, что в анализируемых пробах масел металлы находятся в виде частиц износа, размер которых может меняться. А градуирование анализатора производится по стандартному образцу, где металлы содержаться в виде маслорастворимой металлической примеси (СО Conostan) или частиц фиксированного размера (СО, содержащий частицы окиси Fe и Cu). Таким образом, форма содержания металла в стандартном образце и в анализируемой пробе - различная.

В связи с этим возникают вопросы, насколько существенна систематическая погрешность при измерении содержания частиц с применением стандартного образца и повысится ли эффективность диагностирования ГТД при внедрении СО.

Как правило, у исправных двигателей в пробе масла отсутствуют частицы размером более 3 мкм (обычно 0,05…0,8 мкм). Исходя из этого для изготовления стандартного образца рекомендуется перетирать окислы металлов не менее 3 часов, в результате чего частицы размером до 5 мкм составят 99,5%. Таким образом, стандартный образец будет близок к размерам частиц износа в анализируемой пробе.

С другой стороны, были выделены частицы износа из масла исправных двигателей Д-30КП / КУ-154, размер и другие параметры которых оценивались с помощью микрорентгеноспектрального анализатора Camebax - SX-50. Оказалось, что в смазочном масле исправного двигателя могут находиться частицы размером до 50 мкм (табл. 3).

Таблица 3

Распределение по размерам частиц железа, полученных осаждением из смазочного масла исправных двигателей. Количество частиц Fe в выборке 193

d, мкм	2	3	4	5	6	8	10	15	20	30	40	50
n, число частиц	37	26	17	20	16	15	19	15	8	4	4	12
N, %	19,2	13,5	8,8	10,3	8,3	7,8	9,8	7,8	4,1	2,1	2,1	6,2

Из табл. 3 следует, что содержание частиц износа размером до 5 мкм в маслосистеме исправного двигателя составляет всего около 50%.

Это свидетельствует о значительном различии в распределении частиц по размерам в стандартном образце, изготовленном согласно методики, и в поступающих на анализ пробах.

Для измерения содержания металлов в пробах масел используютя отечественные спектрометры типа МФС-7 (зарубежные аналоги MOA, Spectroil), где проба в дуговой разряд вводится из ванночки с помощью вращающегося электрода.

На рис. 26 приведены градуировочные графики для Cu, полученные в авиационно-техническом центре ОАО «Аэрофлот» на спектрометре MOA фирмы Baird. Графики получены для трёх типов образцов, изготовленных на основе введения в чистое масло МС-8П примесей различных форм: 1 - металлоорганического раствора (СО Conostan); 2 - естественных частиц износа, смытых с масляного фильтра ГТД типа Д-30КП / КУ / КУ-154; 3, 4 - порошка оксида меди с частицами различной крупности.

Рис. 26. Градуировочные графики, построенные по СО, изготовленным на основе масла МС-8П из стандартного образца Conostan, натуральных частиц износа, выделенных из масла исправных двигателей, и частиц оксида меди различной крупности:

1 - Conostan;

2 - частицы износа;

3 - Cu (5 мкм);

4 - Cu (10 мкм)

Очевидно, что при отсутствии влияния размеров частиц на интенсивность сигнала градуировочные графики должны быть представлены в виде единой градуировочной зависимости. Однако рис. 26 демонстрирует зависимость интенсивности сигнала I и наклона градуировочного графика от размеров частиц определяемого элемента. Такая зависимость не позволяет точно определить содержание продуктов износа в пробах масла только по СО. Это связано с тем, что изменяющееся в процессе эксплуатации двигателя распределение по размерам реальных частиц износа в пробах не будет совпадать с заданным, постоянным распределением частиц в стандартном образце.

Способ подачи пробы в дуговой разряд из ванночки на вращающемся электроде должен снизить случайную погрешность. Известно, что в разогретом электродом масле наиболее крупные и тяжёлые частицы металла осаждаются на дно ванночки, а в формировании сигнала в основном участвуют мелкие. Такая сепарация частиц по размерам действительно снижает вероятность случайной ошибки за счёт уменьшения погрешности в размерах частиц пробы, но в то же время приводит к занижению сигнала в результате потери крупных частиц (уменьшение наклона градуировочного графика).

Известно, что при атомно-эмиссионных измерениях величина сигнала (интенсивность линии) пропорциональна испарившейся массе частиц металла. Из табл. 3 следует, что 16 частиц размером 40 и 50 мкм составляют по массе 87% от оставшихся частиц, т.е. основное содержание металла в пробе масла можно определить по нескольким крупным частицам.

Представленный материал показывает, что различие форм содержания металлической примеси в СО и в анализируемой пробе может привести к значительным систематическим погрешностям. Тем не менее, в нормативных документах эти погрешности не учитываются.

Результаты спектральных измерений не дают точной оценки технического состояния узлов и агрегатов ГТД, омываемых маслом.

Один из показателей оценки технического состояния маслосистемы двигателей - увеличение содержания металла в масле в случае возникновения и развития дефекта.

Однако весь опыт диагностирования ГТД по результатам атомно-эмиссионных и атомно-абсорбционных измерений свидетельствует, что этот принцип выдерживается не всегда. Даже в двигателях, снятых с эксплуатации в связи с появлением «стружки» в масле, а также частиц износа на магнитных пробках и маслофильтрах (дефект подтвердился при заводских исследованиях), результаты измерений содержания металлов в пробе масла зачастую не превышали граничных значений. Это является прямым нарушением принципа идентичности разноразмерных фракций. Одной из причин пропуска дефектов может быть несоответствие форм содержания металла в СО и анализируемой пробе.

Поэтому создание унифицированного долговечного стандартного образца, где металлическая примесь содержится, например, в виде металлоорганического комплекса, а в анализируемой пробе - в частицах износа, не повысит эффективность диагностирования маслосистемы ГТД.

С помощью такого унифицированного СО можно проверить работоспособность спектрометра, соответствие его параметров установленным значениям и т.д. Но точность измерений содержания частиц в реальных пробах масел при этом не повысится.

Необходимо рассмотреть ещё один вопрос, связанный с пределами обнаружения атомно-эмиссионных спектрометров. В нормативной документации граничные значения, при которых двигатель может (не может) эксплуатироваться, даны только для двух элементов - железа и меди. Между тем МФС и другие типы спектрометров могут одновременно определять до 20 химических элементов, которые входят в состав сплавов. С другой стороны, в работах по спектральному анализу констатируется, что при прямых измерениях металлической примеси (без предварительной пробоподготовки) предел обнаружения по меди и железу составляет около 1 г/т.

Известно, что в конструкции двигателя используются сплавы на основе железа. Содержание легирующих добавок в них (например Cr, Ni, V) в 10-100 раз меньше содержания железа. Следовательно, для точного определения содержания легирующих компонентов, входящих в состав стали, необходимо снизить пределы обнаружения используемых спектрометров на 2-3 порядка. С помощью существующих атомно-эмиссионных спектрометров без предварительного концентрирования частиц износа можно измерить содержание только основы сплавов (железо, медь, алюминий, титан). Поэтому снижение пределов обнаружения за счёт применения СО невозможно.

При использовании спектрометров типа МФС, МОА и др. погрешность при измерении содержания даже основы сплавов может составлять в исправных двигателях более ста процентов, поскольку измерения ведутся фактически на пределе обнаружения. В исправных двигателях содержание железа и меди, как правило, не превышает 1 г/т. Тем не менее, в нормативных документах при эксперименте с однородными искусственными образцами предельно допустимое значение относительной погрешности S_r по железу и другим элементам при С = 1 г/т установлено 0,35. Это значение представляется некорректным и должно быть уточнено с учётом содержания металла в реальной пробе масла.

Для подтверждения сказанного проведены эксперименты. Были специально подготовлены пробы масла, которые содержали реальные частицы износа, смытые с маслофильтров МФС-30 исправных двигателей Д-30КП / КУ / КУ-154. По элементному, гранулометрическому составу и соотношению массовых долей между элементами они полностью соответствовали реальным рабочим пробам масла. При этом содержание элементов в пробах было аттестовано независимыми контрольными методами анализа с высокой точностью: погрешность по меди составила 3%, железу - 2%, серебру - 5%, никелю - 6%, хрому - 4%. В аттестации участвовали девять сертифицированных лабораторий.

Подготовленные пробы были проанализированы спектрометрами МОА и Spectroil в лабораториях АТЦ «Аэрофлот» и ЦИАМ им. П.И. Баранова. В обоих случаях в качестве источника возбуждения спектров использовалась дуга переменного тока, подача пробы в разряд осуществлялась вращающимся угольным электродом. Для градуирования МОА и Spectroil использовался стандартный образец типа «Conostan». Результаты анализов приведены в табл. 4.

Таблица 4

Результаты анализа проб масел, аттестованных спектрометрами МОА и Spectroil

	Содержание металлов в масле, млн -1 (г/т)
	Fe	Cr	Ni	Cu	Al	Ag	Mg	V
Проба № 2 Анализаторы - Spectroil - MOA	1,6 0,65 0,43	0,028 0,2 0,0	0,026 0,0 0,0	0,50 0,2 0,12	1,64 0,25 0,02	0,016 0,0 0,0	0,28 0,0 0,01	0,0017 0,3 -
Проба № 3 Анализаторы - Spectroil - MOA	3,22 1,35 0,81	0,055 0,2 0,0	0,053 0,0 0,02	1,0 0,55 0,2	3,28 0,45 0,11	0,032 0,0 0,0	0,55 0,0 0,04	0,0034 0,0 -

В полном соответствии с выводами, представленными выше, результаты измерений содержания основных сплавов (Fe, Cu) на МОА и Spectroil оказались заниженными по железу и меди в 2-2,5 раза в рабочем диапазоне измерений (C_Fe ? 1 г/т, C_Cu ? 1 г/т), а по алюминию в 8-10 раз. Видно также, что содержание легирующих элементов (Cr, Ni, V) практически не определяется в связи с их низкими значениями, которые намного меньше пределов обнарцжения этих элементов указанными спектрометрами. Показанные в табл. 4 значения содержания легирующих элементов обусловлены, по-видимому, шумовыми сигналами.

В табл. 5 представлены результатаы измерений содержания металлической примеси в реальных пробах масел исправного двигателя на спектрометре МОА в АТЦ «Аэрофлот».

Из табл. 5 видно, что определённое спектрометром МОА содержание легирующих элементов в пробах масел исправного двигателя близко (Cr) или превышает (V) содержание железа. Аналогичные результаты получены на отечественном спектрометре МФС-7.

Таблица 5

Результаты измерений содержания (млн ^-1, г/т) некоторых элементов в реальных пробах масла исправного двигателя спектрометром МОА

№ дв.	Дата анализа	Ag	Al	Cr	Cu	Fe	Mg	Ni	V
42-045	30.04.2002	0,04	0,13	0,09	0,05	0,08	0,05	0,06	0,45
42-045	01.06.2002	0,03	0,18	0,21	0,11	0,07	0,05	0,26	0,51
42-045	28.06.2002	0,05	0,23	0,00	0,04	0,00	0,01	0,01	0,79

Как известно, содержание ванадия в стали примерно в 100 раз меньше, чем железа. Тем не менее, во всех случаях по результатам измерений его содержится в 2-10 раз больше железа, что априори невозможно и может быть обусловлено только шумовыми сигналами. Отсюда следует, что для расширения перечня одновременно измеряемых элементов атомно-эмиссионным «прямым» способом нужно изменить процедуру пробоподготовки. В противном случае применение этого способа возможно только при измерении основы сплавов.

Более точный метод измерения, который можно было бы рекомендовать для применения на производстве, это сцинтилляционный способ измерения параметров износных частиц.

5. Сцинтилляционный метод анализа проб масла

5.1 Принцип действия сцинтилляционного спектрометра

Предварительно отобранную и подготовленную пробу масла объемом 1мл с помощью ультразвукового распылителя1 (рис. 27) превращают в мелкодисперсный золь. Полученный золь, состоящий из капель жидкости и частиц металлов, потоком транспортирующего газа непрерывно в течение 10 мин вдувается в источник возбуждения спектров - воздушную плазму газового разряда СВЧ плазмотрона циклонного типа 2, температура которой составляет около 5 200 К.

Рис.27. Блок схема сцинтилляционного спектрометра на три канала

а- последовательность импульсов излучения при присутствии в пробе только одного элемента, б- последовательность импульсов излучения при одновременном присутствии в пробе трех элементов

СВЧ мощность в плазмотроне циклонного типа, передаваемая по волноводу, поддерживает стационарный СВЧ разряд атмосферного давления в разрядной камере. Стабилизация СВЧ разряда достигается тангенциальной подачей плазмообразующего газа, который дополнительно выполняет роль охладителя стенок разрядной камеры и выходного сопла.

Металлическая частица, попавшая в плазму, нагревается, испаряется, и полученный атомный пар возбуждается, т. е. происходит вспышка (сцинтилляция) частицы. Скорость поступления анализируемой пробы выбрана такой, чтобы частицы металла микропримеси поступали в плазму последовательно по одной.

Излучение атомного пара с помощью конденсора 3 поступает на спектральный прибор - полихроматор 4. Разложенное в спектр излучение регистрируется фотоумножителями 5-7.

Длительность импульса излучения частицы пропорциональна времени нахождения ее в плазме и составляет 1-10 мс. Поэтому на выходе фотоумножителей образуется последовательность импульсов различных длительностей и амплитуд. Электрические импульсы с фотоумножителей поступают на аналого-цифровой преобразователь 8 и обрабатываются ПЭВМ.

В случае одновременного присутствия в пробе растворенного металла и металла в виде износных частиц на выходе фотоумножителей присутствуют непрерывный (фоновый) сигнал, соответствующий растворенному металлу, и импульсный, - соответствующий износным частицам.

По специальным градуировочным графикам импульсный сигнал пересчитывается в элементную концентрацию износных частиц, непрерывный - в концентрацию растворенного элемента. Число вспышек (зарегистрированных импульсов) пропорционально числу износных частиц.

На рис. 27 показано только 3 канала выделения сигнала. Число их зависит от типа полихроматора и может быть увеличено. Каждый канал настроен на регистрацию вспышек линий заданного элемента.

В случае если в масле присутствуют одновременно сложные частицы металла, состоящие из нескольких элементов (например легированная сталь Fe-Mn), и простые, где каждая частица представлена одним элементом, то ПЭВМ сортирует импульсы излучения по одновременности их появления.

Совпадение по времени двух и более импульсов излучения указывает на наличие сложной частицы и, соответственно, на ее состав и тип сплава.

Таким образом, за 10 мин сцинтилляционный спектрометр выдает следующую информацию об износных частицах:

1) элементная концентрация растворенного металла;

2) элементная концентрация износных частиц;

3) суммарная концентрация растворенного элемента и износных частиц;

4) число металлических частиц, состоящих из нескольких элементов;

5) число металлических частиц, состоящих из одного элемента;

6) общее число частиц;

7) средний размер частиц износа (элементный);

8) состав частиц (тип сплава).

Практический опыт разработки и использования сцинтилляционного спектрометра для измерения параметров частиц износа показал, что определяющими узлами спектрометра являются источник возбуждения спектров, распылитель жидких проб, решающее значение имеет также принцип выделения и регистрации сигнала при сцинтилляционных измерениях.

Источник возбуждения спектров при сцинтилляционных измерениях должен удовлетворять следующим требованиям:

1. Собственные флуктуации фона плазмы не должны превышать 1,5-2%, т. е. стабильность источника возбуждения спектров должна находиться на уровне стабильности газовых пламен.

2. Температура плазмы должна быть достаточна для возбуждения линий исследуемых элементов и составлять не менее 5000 К.

3. Потребляемая мощность не должна превышать принятый в спектральном анализе уровень 2,5 кВт.

4. Время безотказной работы плазмотрона должно быть не менее времени безотказной работы генератора колебаний.

5. Низкая стоимость и доступность плазмообразующего газа.

6. В собственном спектре источника должны отсутствовать линии анализируемых элементов, т. е. плазма должна быть «чистой».

7. Достаточное время пребывания частиц в плазме, обеспечивающее полное испарение частиц металла в необходимом диапазоне размеров.

8. 100%-ное вхождение частиц в плазму во всем диапазоне их размеров.

Анализ сформулированных требований показывает, что из всего многообразия серийно выпускаемых источников возбуждения спектров для целей сцинтилляционного анализа могут использоваться ВЧ, либо СВЧ плазмотроны. Именно этот класс источников спектров наиболее полно удовлетворяет перечисленным требованиям.

Рассмотрим некоторые процессы в разрядной камере плазмотрона волноводного типа при подаче СВЧ мощности (рис. 28). Подводимая СВЧ мощность создает пучность электромагнитного поля в центре камеры 2. При определенной величине напряженности электрического поля происходит пробой газа и возникшие свободные электроны начинают взаимодействовать с электромагнитной волной, отбирая у нее энергию. Затем через столкновения передают энергию атомам, приводя к разогреву нейтрального газа и возникновению плазменного образования.

После достижения равновесия устанавливается стационарная конфигурация разряда, причем размеры плазмы ограничены стенками разрядной камеры 2. Для защиты стенок от перегрева применяют продувку камеры 2 холодным газом, подаваемым тангенциально, род которого, в основном, определяет температуру факела плазмы.

При тангенциальном, вихревом, способе продувки получается стабильно поддерживаемый разряд для широкого интервала изменения управляющих параметров (в частности, расхода плазмообразующего газа). Стабильность разряда достигается за счет формирования соответствующей картины течения газа.

Рис. 28. Схематичная конструкция СВЧ плазмотрона волноводного типа

1) прямоугольный волновод для подачи СВЧ мощности;

2) разрядная камера, выполненная из кварцевого стекла;

3) штуцер для тангенциальной подачи плазмообразующего газа;

4) факел плазмы;

5) штуцер для подачи в плазму частиц с потоком транспортирующего газа

Однако при введении частиц в плазму, стабилизированную вихревой подачей газа, существует явление выбрасывания их инерционными силами из разряда на стенки разрядной камеры.

Такое явление приводит к налипанию частиц на стенки камеры, нестабильности разряда и его тушению. Поэтому необходимо было решить задачу эффективного введения частиц в плазму, сохранив вихревой способ стабилизации разряда.

В циклонных сепараторах газ вместе с частицами подается тангенциально в камеру, имеющую коническое сечение. Крупные частицы пыли инерционными силами отбрасываются на стенки и соскальзывают в приемный бункер. Мелкие частицы увлекаются газовым потоком и приобретают вращательное движение. Эффективность сепарации мелких частиц обусловлена наличием центробежных сил, которые стремятся выбросить частицу на стенку. Этому препятствует радиальный поток газа, увлекающий частицы к центру потока, в результате чего частица двигается по логарифмической спирали к радиусу равновесия. Если радиус равновесия находится за пределами камеры, то частица попадает на стенку и отделяется от газового потока, в противном случае дальнейшее поведение частицы зависит от распределения аксиальной составляющей газовой скорости. При стабилизации частицы в зоне, где аксиальная составляющая направлена в сторону выходного сопла, частица не отделяется от газового потока и выходит из циклонного сепаратора с потоком газа.

Таким образом, весь диапазон размеров частиц можно разделить на три части: крупные частицы, которые сразу выбрасываются на стенки камеры; средние частицы, у которых радиус стабилизации находится внутри газового потока недалеко от стенок камеры, где аксиальная скорость направлена от выходного сопла, что приводит к их сепарации; мелкие частицы, которые стабилизируются в области потока, где аксиальная составляющая скорости направлена к выходному соплу.

Можно предполагать, что при использовании в конструкции разрядной камеры плазмотрона идей, заложенных в циклонном сепараторе, и подаче мелкодисперсных частиц вдоль оси разряда крупные и мелкие частицы будут выходить из выходного сопла, а средние частицы оседать на стенках камеры. С точки зрения полного испарения всего поступающего мелкодисперсного материала в циклонной разрядной камере явление выбрасывания средних частиц на стенки является отрицательным.

Отличительной чертой СВЧ плазмотрона (рис. 29) циклонного типа от всех известных является то, что за счет формирования закрученного течения, имеющего радиальную составляющую газовой скорости, направленную к оси разрядной камеры, мелкодисперсные частицы стабилизируются в области плазмы и не попадают на стенки камеры.

Рис. 29. Схематичная конструкция СВЧ плазмотрона циклонного типа

1- СВЧ волновод; 2- разрядная камера; 3- завихритель; 4- подача воздуха; 5- выходное сопло; 6- отверстие для подачи распыленной пробы;

7- СВЧ плазма

Известно, что циклонные сепараторы, предназначенные для очистки газовых потоков от мелкодисперсных частиц, эффективно работают только до определенного размера частиц (d > 30 мкм). Часть мелкодисперсного материала попадает в выходное сопло, что является отрицательным качеством циклона. В СВЧ плазмотроне циклонного типа данное явление является положительным и позволяет вводить в СВЧ плазму мелкодисперсные частицы. При вводе частиц вдоль оси циклонной разрядной камеры крупные частицы (d > 30 мкм) не успевают изменить траекторию движения и, проходя через плазму, испаряясь, попадают в выходное сопло. Мелкие частицы (d < 30мкм) стабилизируются в области плазмы и также выходят через сопло, проходя через плазму. Этим достигается испарение частиц в необходимом диапазоне размеров, а также высокий коэффициент вхождения в плазму при отсутствии выбрасывания их на стенки разрядной камеры.

Плазмотрон характеризуется простой технологией сборки и настройки, высокой стабильностью работы, сравнимой со стабильностью газовых пламен, протяженным объемом плазмы (длина струи около 15 см, диаметр высокотемпературной части 5 мм).

Необходимо добавить, что для стабилизации разряда в СВЧ плазмотроне использован воздух, подаваемый от компрессора через специальный фильтр. Применение воздуха несколько ухудшило метрологические характеристики сцинтилляционного метода за счет снижения температуры плазмы, однако позволило избавиться от неудобств, связанных с доставкой и использованием значительно более дорогих газов, таких, как аргон и азот.

Безотказное время наработки разрядной камеры плазмотрона сравнимо с гарантийным временем наработки генераторной лампы и составляет более 2500 ч.

5.2 Диагностирование авиационных ГТД по результатам сцинтилляционных измерений параметров частиц износа

Количество параметров износных частиц, измеряемых сцинтилляционным методом, его метрологические возможности позволяют решать любые диагностические задачи, в том числе по информации о составе частиц, позволяя выявлять отдельные неисправные узлы и агрегаты двигателя. При таких возможностях метода процесс диагностирования разбивается на несколько этапов:

1) общая оценка технического состояния двигателя;

2) выявление дефектного узла, агрегата;

3) оценка возможности дальнейшей эксплуатации двигателя.

Для решения поставленных задач необходимо найти диагностические параметры, позволяющие улавливать дефект на ранней стадии разлития, поставить прямые эксперименты, доказывающие правильность измерения состава частиц в конкретных марках сплавов, разработать модели эталонных двигателей, характеризующихся нормальным и предельным износами, разработать методику, позволяющую по единичному измерению пробы масла либо смыва с фильтра адекватно оценивать техническое состояние двигателя и т. д.

В работе проведена оценка возможности определения технического состояния межвального роликоподшипника и подшипника турбины высокого давления по результатам сцинтилляционных измерений.

Межвальный роликоподшипник изготавливается из стали ЭИ347Ш, характеризуемой следующим составом: С (0,8%), Мn (0,4%), Si (0,4%), Сr (4,6%), Ni (0,35%), W (9,5%), Mo (0.3%), V (1,4-1,7%), Fe (основа). Сепаратор выполнен из бронзы БрАЖМц 10-3-1,5: Fе (3%), Al (10%), Мn (1,5%), Сu (основа). На поверхность сепаратора нанесено покрытие из металлического серебра.

В роторной части двигателя имеется еще один роликоподшипник, изготовленный также из стали ЭИ347Ш и имеющий сепаратор, покрытый серебром. Это подшипник турбины высокого давления. Очевидно, что при идентификации подшипников по составу частиц износа указанные подшипники неразличимы. Поэтому сразу отметим, что при оценке их технического состояния можно говорить о возникновении дефекта в одном либо в обоих подшипниках. Возможности сцинтилляционного спектрометра в настоящее время ограничены измерением восьми элементов: Fe, Сu, Al, Mg, Cr, Ni, Ag, V, и поэтому W, Мо, Мn, Mb, Si, а также другие элементы не определялись. Однако среди определяемых элементов присутствует ванадий, содержащийся только в рассматриваемых подшипниках, который в дальнейшем использовался в качестве одного из элементов-индикаторов при поиске и оценке технического состояния межвального роликоподшипника и опоры ТВД.

При измерении состава износных частиц в головном эталоне сцинтилляционным и микророрентгеноспектральным методами ванадий не обнаруживался, что могло быть объяснено недостаточными пределами обнаружения используемых методов либо отсутствием ванадия в пробе. Для получения однозначного ответа необходимо было приготовить пробы масла с введенными износными частицами, представляющими только сталь ЭИ347Ш.

Частицы микронных размеров готовились путем дробления лазерным лучом роликоподшипника ТВД и фрагмента обоймы межвального роликоподшипника. Обе детали принадлежали двигателю, досрочно снятому с эксплуатации по неисправности подшипника ТВД.

Для получения частиц исследуемый образец помещался в кювету с маслом и под слоем масла подвергался дроблению лазерным лучом (лазер на иттрий - алюминиевом гранате, работающий на длине волны 1,064 нм в режиме свободной генерации с частотой около 12 Гц с энергией в импульсе около 4 Дж и мощностью 100 кВт). Излучение фокусировалось стеклянной линзой на поверхность образца, кювета с образцом непрерывно перемещалась. Под действием луча частицы металла выкрашивались из поверхности и попадали в масло, имитируя частицы износа. Обработка образца длилась несколько десятков минут, затем масло подвергалось сцинтилляционному анализу.

Результаты сцинтилляционного анализа проб масла обоих образцов показали, что кроме частиц Fe-Cr-Ni-V в пробах в большом количестве содержались частицы Fe-Cr, Fe-Cr-Ni, Сu, Mg, Al, Сu-Fe, Mg-Fe, Cu-Ag и т. д. Выполненные микрорентгеноспектральные исследования подтвердили, что на поверхности образца действительно присутствуют частицы Аl2Оз, SiO₃, CaO, а также Ag, Сu, Mg и другие элементы, не входящие в состав исследуемой стали. Размер этих частиц колебался от 2 до 50 мкм.

Для того чтобы получить частицы, принадлежащие только стали ЭИ347Ш, ролик был помещен на две минуты в смесь соляной и азотной кислот. После обработки кислотами ролик приобрел пористый вид с размером кратеров до 200 мкм, а на боковой его поверхности образовался выступ в виде зуба высотой около 0,2 мм, шириной 0,8 мм и длиной 9 мм. Далее поверхность, свободная от выступа, подверглась бомбардировке лазерным излучением, и полученные частицы вновь были проанализированы на сцинтилляционном спектрометре и анализаторе Camebax SX-50.

Результаты микрорентгеноспектрального анализа представлены в табл. 6.

Результаты микрорентгеноспектрального анализа показали, что большинство частиц имело неправильную форму в виде осколков и чешуек. Встречались частицы в виде шара, чаще всего это были частицы Fe и Fe-Cr.

Неожиданным результатом, представленным в табл. 6, является обнаружение на поверхности ролика частиц типа Si-Ca-Mg. Поскольку поверхность ролика была обработана смесью кислот и примеси указанных элементов, присутствующие на поверхности, должны были раствориться. Обнаружение силикатных частиц размером более 10 мкм в количестве 12% свидетельствует, что они достаточно глубоко проникли в металл и выполняли при работе двигателя, скорее всего, роль абразива. Поэтому применение более тонких фильтров позволит улавливать такие частицы и увеличит срок службы контактирующих деталей.

Таблица 6

Табл. 6 показывает также, что больше всего обнаружено «чистых» частиц железа. Причем, размер «чистых» частиц железа доходит до 200 мкм. На втором месте по числу частиц - соединение Fe-Cr, на третьем - Fe-Cr-W-V, что находится в полном соответствии с результатами сцинтилляционного анализа (табл. 7).

Таблица 7

С_Р - содержание элемента в растворённой форме;

С_Ч - содержание элемента в частицах г/т;

К_Р - крупность частиц износа в условных единицах

Разнообразие составов частиц, измеренных сцинтилляционным методом, значительно больше, чем измеренных микрорентгеноспектральным методом, что объясняется различным числом частиц в представленных выборках. Регистрация небольшого числа частиц типа Al-Fe, Cu-V, Fe-Ni-Zn, Fe-Ni-Cu, Fe-Cu объясняется загрязненностью образца.

Регистрация простых частиц обусловлена, как показали микрорентгеноспектральные исследования, наличием на поверхности образца несвязанного металла, образующего мягкую структурную составляющую сплава. Эта мягкая структурная составляющая в процессе трения выжимается под действием пластической деформации поверхностных слоев и образует защитный слой на поверхности подшипника, который изнашивается в первую очередь. Такой защитный слой играет роль твердой смазки. Поэтому можно предполагать, что при нормальном износе в масло вначале должны поступать частицы, образующие мягкую структурную составляющую, т. е. Fe, Сu и т. д. При повышенном износе наряду с простыми частицами в масло могут генерироваться сплавные частицы типа Cr, Ni, V, Fe-Cr, Fe-Cr-Ni, Fe-Cr-Ni-V, а также частицы, механически соединенные между собой, типа Fe-Cu, Cu-Ag и т. д.

Обнаружение в масле сплавных частиц либо частиц, механически соединенных между собой, может являться критерием повышенного износа двигателя.

Правильность сделанного вывода иллюстрируется следующим примером:

Образец сравнения СОЧПИ готовился на основе натуральных частиц износа, смытых с масляных фильтров двигателей, находящихся в эксплуатации и характеризующихся нормальным износом. При аттестационных исследованиях образца микрорентгеноспектральным и атомноабсорбционным методами не был обнаружен ни ванадий, ни сплав, содержащий ванадий. Это указывает на то, что мягкая структурная составляющая стали ЭИ347Ш продолжала работать, как твердая смазка, и ванадий, а также его сплав не поступали в масло.

Авторы работы [3] предположили, что одной из причин возникновения дефекта в рассматриваемых подшипниках является структурная неоднородность используемой стали. Поэтому в качестве модели поступления частиц износа в смазочное масло они приняли следующую:

Выжимаемый под действием нагрузки свободный металл, представляющий основу сплава, генерирует в смазочное масло простые частицы. Сложные частицы, особенно представляющие полный состав стали, начинают поступать в масло с началом разрушения кристаллической структуры детали.

Справедливость предложенного механизма поступления простых и сложных частиц в масло подтверждается тем, что, например, для части двигателей с наработкой более 4000 ч, продиагностированных сцинтилляционным методом, наблюдалось полное отсутствие сложных частиц, а дефектные двигатели, независимо от времени наработки, всегда характеризовались достаточно большим разнообразием по составу и числу сложных частиц.

Таким образом, результаты проведенного авторами работы эксперимента позволили им сделать следующие важные для диагностической практики выводы:

1. Предел обнаружения сцинтилляционного метода является достаточным для регистрации сигналов от частиц ванадия, что позволяет разработать методику определения неисправности межвальных роликоподшипников либо подшипников ТВД.

2. Результатами микрорентгеноспектральных исследований дополнительно подтверждена правильность измерения состава частиц сцинтилляционным методом.

3. Значительно меньшая часть присутствующих в смазочном масле частиц представляет полный сплав металла, большая часть металла представлена простыми частицами.

4. Процесс изнашивания детали можно считать нормальным, если в масло поступают простые частицы, представляющие основу сплава.

5. Увеличение с наработкой двигателя количества простых частиц, представляющих легирующие добавки типа Cr, Ni, V, следует воспринимать как начало развития дефекта. Особое внимание следует обращать на появление ванадия. Его появление может служить признаком тяжелого износа.

6. Признаком тяжелого износа является увеличение количества сложных частиц, характеризующих полный состав сплава, типа Fe-Cr-Ni-V.

Первые опыты по анализу реальных проб масла и использованию результатов сцинтилляционного метода для диагностирования авиадвигателей, проведенные в работе, показали, что при изменении наработки двигателя на сравнительно небольшую величину (10-20 ч) параметры износных частиц менялись весьма существенным образом как в большую, так и в меньшую сторону. Причем, колебания параметров значительно превышали погрешность измерений метода. Такое изменение параметров могло быть обусловлено нарушением технологии отбора проб, влияниями, связанными с доливом масла, и непредставительностью отбираемой пробы. Очевидно, что перечисленные влияния проще всего проверить на пробах масла с двигателя, находящегося на стендовых испытаниях. Поэтому для выяснения поставленных вопросов использовались пробы масла с двигателя, находившегося на длительных стендовых испытаниях.

Регламент заводских стендовых испытаний двигателя после его капитального ремонта состоит из отдельных циклов, имитирующих работу в режимах «взлет-полет-посадка» («прямая тяга») и «реверс» («торможение»). Режим работы «прямая тяга» составил 314 ч, «реверс» - 98 ч. При этом полная наработка в процессе испытания двигателя составила 412 ч. Пробы масла для анализа отбирались из задней коробки приводов двигателя после каждого из этапов наработки. Для сравнения каждый второй или третий анализ дублировался на атомно-эмиссионном спектрометре МОА, а для 12 проб с экстремальными содержаниями были выполнены феррографические исследования (феррограф фирмы «Predict»).

Измеряемые, каждым из использованных методов, параметры приведены в табл. 8.

Таблица 8

Расхождения в показаниях сцинтилляционного спектрометра и МОА легко объясняются полученными ранее данными о зависимости угла наклона градуировочного графика для МОА и размере частиц примеси в образцах сравнения. Фактически для МОА имеют место быть

разные градуировочные графики для проб, содержащих частицы примеси различной крупности. При этом для одного сигнала X, используя различные градуировочные графики, будем иметь различные найденные содержания.

Поэтому МОА, отградуированный по стандартным образцам типа Conostan, при анализе проб с изменяющимся распределением частиц по размерам всегда будет давать неприемлемо заниженные результаты, что реально и наблюдается в эксперименте.

В период 210-314 ч (314ч - конец режима «прямая тяга») наработки двигателя спектрометр МОА показал почти во всех точках нулевые либо близкие к нулевым значения концентрации меди (рис. 30, а), в то время как за этот же период показатель крупности частиц меди достиг максимальных значений (рис. 30, б). Уменьшение значения концентрации, измеренной на МОА, при увеличении размеров частиц означает, что крупные частицы при анализе осаждаются на дно ванночки и не попадают на диск вращающегося электрода либо, если они и попадают на электрод, то происходит существенное их недоиспарение. Как видно, и тот, и другой механизм приводят к значительным систематическим погрешностям при измерении концентрации. Поэтому еще раз можно обратить внимание на то, что при использовании единого градуировочного графика в спектрометрах типа МОА, МФС за счет существующих влияний, связанных с измерением размеров частиц, всегда будут наблюдаться искажения в полученных результатах.

Феррограммы, соответствующие указанному периоду времени, показали наличие, в основном, мелких (2-5 мкм) металлических частиц износа произвольной формы, вытянутых в строчки вдоль магнитных силовых линий. Однако встречались и отдельные, в виде иголок и чешуек, сравнительно крупные (15-20 мкм) металлические частицы.

Рис. 30. Графики зависимостей концентрации и размеров частиц меди от наработки

а - содержание Cu в масле, обнаруженное сцинтилляционным спектрометром и МОА

б - показатель крупности частиц меди, рассчитанный по результатам сцинтилляционных измерений

Анализ диаграмм измеряемых параметров на другие элементы показал, что, начиная с 220 ч наработки и достижения низких содержаний продуктов износа (Fe -0,4 г/т, Сu -0,1 г/т, Ag -0,05 г/т), такое состояние стабильно сохранялось до окончания «гонки» в режиме «прямая тяга», т. е. в период почти 100 ч наработки.

Исключение составил скачок содержания элементов (Fe -1,6 г/т, Сu -0,25 г/т, Ag -0,25 г/т), имевший место при 224 ч наработки и замеченный только сцинтилляционными измерениями.

Для режима «реверс» характерным признаком оказались частые скачки всех определяемых параметров в широком интервале величины, но по содержанию элементов, не выходящих за допустимые пределы. Так, интервал изменений составил для C_Fe = 0,2-1,9 г/т, С_Сu = 0,1-0,4 г/т, N_о6щ = 30-660 см^-3. К тому же рост величины параметра быстро сменяется его падением, образуя чередующиеся во времени отдельные пики. Исходя из этого, можно предположить, что появление пиков и скачков параметров в режиме «реверс» связано с увеличением вибрационных нагрузок, приводящих как к повышенному износу, так и к вымыванию из «застойных зон» маслосистемы двигателя осевших там ранее крупных частиц износа. Характерной особенностью режима является также появление большого количества «кварцевых» частиц, при этом содержание Si в пробах могло увеличиваться до 10 г/т. Наличие частиц износа и «кварца» подтверждается фотографиями феррограмм из режима «реверс».

На нескольких феррограммах наблюдались стружки резания металла длиной до 50 мкм и диаметром витков 2-4 мкм. Роль резца в данном случае вполне могла выполнить одна из высокотвердых силикатных частиц.

При оценке технического состояния двигателей по величине измеренной концентрации часто возникает вопрос о влиянии количества доливаемого масла на время достижения стационарной концентрации.

При проведении стендовых исследований в режиме «прямая тяга» долив масла в двигатель производился через 5-20 ч в объеме 2,5-5 л. При наработке 173 ч было долито 9,5 л. В режиме «реверс» масло доливалось через 1-3 ч, объемом 1-5 л. При наработке 214 ч была произведена полная замена масла.

Рис. 31 показывает, что ни долив, ни полная замена масла не влияют на тренд измеряемого параметра. Такое заключение можно сделать исходя из того, что долив приходится как на падающие, так и на восходящие ветви пиков. Даже полная замена масла привела к изменению концентрации только на величину, соизмеримую с погрешностью ее измерения сцинтилляционным методом (рис. 30, а).

Рис 31. Моменты долива и полной замены масла в двигателе, совмещенные с графиком индекса износа

Это объясняется тем, что при объеме масляного бака порядка 30 л скорость прокачивания масла на разных режимах работы двигателя может достигать 900-950 л/ч. При этом один цикл прокачивания всего масла через двигатель завершается через 1,5-2 мин. Через один час работы двигателя будет произведено не менее 30 циклов прокачивания масла, что является достаточным, как показывает фактический материал, для установления стационарной концентрации. Тем более, увеличение временного промежутка между доливами до 2-5 ч гарантированно создает условия достижения стационарной концентрации.

Ранее аналогичные выводы были получены спектральной лабораторией ОАО «НПО „Сатурн"» при проведении сдаточных испытаний двигателей Д-ЗОКП/КУ. Двигатели также проходили стендовые испытания, наработка двигателей колебалась от 190 мин до 600 мин, масло на анализ отбиралось с задней коробки приводов. В работе констатировалось, что значения определяемых концентраций для Fe, Mg, Pb, Zn, Al, Cu, Ti, Si с увеличением наработки носили случайный характер. Иными словами, время работы двигателя 190 мин вполне достаточно для установления стационарной концентрации, что совпадает с оценкой, произведенной с помощью сцинтилляционных измерений.