Рис. 20. Забоины, вырывы, вмятины лопаток вентилятора и компрессора двигателя CFM56-5B

Повреждения элементов проточной части компрессора посторонними частицами размером менее 0,4 мм в условиях работы ГТД в запылённой местности относятся к повреждениям эрозионного характера. Такое повреждение является в эксплуатации одним из наиболее распространённых видов повреждений (рис. 21).

Рис. 21. Эрозия лопаток КВД и лопаток спрямляющего аппарата вентилятора

При работе ГТД в условиях повышенной водности, когда воздух насыщен водой жёсткостью от 1,5 до 12,4 мг-экв/л, на рабочих и статорных лопатках компрессора, где температура воздуха достигает температуры испарения воды, а также на внутренних частях камеры сгорания, форсунках и элементах конструкции турбины образуются солевые отложения (рис. 22). Увеличение объёма воды, проходящей через двигатель, и её жёсткости приводит к устойчивой тенденции ухудшения газодинамических параметров двигателя.

Рис. 22. Солевые отложения на рабочих лопатках компрессора

Вдобавок к характерным повреждениям компрессора ГТД на последних сериях двигателей семейства CFM56 (CFM56-5B и CFM56-7B) в процессе эксплуатации выявлено характерное им повреждение, связанное с задеванием ротора КВД о элементы статорной части. Потенциальная область контакта располагается в зонах между ободом переднего барабана-диска и бандажными сегментами лопаток НА второй ступени. Такая же область располагается между ободом диска и бандажными сегментами НА третей ступени, а также между бандажными сегментами НА третей ступени и ободом заднего барабана-диска четвёртой ступени (рис. 23).

Причинами вероятного контакта "ротор-статор" в этих зонах являются относительно маленькие осевые зазоры между вращающими и неподвижными частями компрессора, а также износ внутренних втулок поворотных лопаток направляющего аппарата второй и третей ступени (рис. 24 а). В результате износа втулок поворотных лопаток второй и третьей ступени возникает возможность осевого перемещения всего направляющего аппарата. При этом происходит

Рис. 23. Потенциальные зоны вероятного контакта "ротор-статор"

касание бандажных сегментов о полки рабочих лопаток и касание полуколец сотовых уплотнений с выступом обода диска (рис. 24 б).

Рис. 24. Взаимодействующие элементы конструкции проточной части двигателя

В результате касания при работающем двигателе в зоне контакта происходит взаимный износ деталей, что приводит к последующему повреждению сотового уплотнения и в дальнейшем к разрушению его полуколец, которые, попадая в проточную часть двигателя, повреждают элементы конструкции последующих ступеней (рис. 25).

Рис. 25. Повреждения элементов проточной части компрессора в результате их касания при работающем двигателе: а, б - чрезмерный износ или отсутствие сотового покрытия воздушного уплотнения; в - механическое повреждение загнутой кромки (в зарубежной практике называется "джэй-хук") полукольца сотового уплотнения; г - износ верхнего выступа бандажного сегмента и J-hook'а; д - повреждения рабочих лопаток компрессора, вследствие попадания разрушенных элементов в проточную часть двигателя

За всю историю существования двигателей семейства CFM56 в эксплуатации возникало 34 подобных случая, при этом 8 из них повлекли за собой выключение двигателя в полёте, 16 привели к помпажированию, а остальные 10 были выявлены в процессе проведения запланированных работ по ТО.

По поводу случившихся инцидентов завод изготовитель двигателей выпустил ряд бюллетеней. Первый был выпущен в 2004 году и обязывал эксплуатантов после 24 000 часов наработки осуществлять периодический визуальный осмотр, либо менять внешние и внутренние втулки регулируемых лопаток на новые. В последнем выпущенном бюллетене завод производитель предоставляет стандарты по осуществлению визуального осмотра двигателя CFM56-7B и рекомендации по замене существующих деталей, на детали из более прочного материала.

3.2.2 Камера сгорания и топливные форсунки

Типичными повреждениями камеры сгорания являются повреждения термического и усталостного происхождения. Основными причинами повреждений являются:

ь высокий уровень температурных нагрузок;

ь высокий уровень вибрационных нагрузок.

Усталостные трещины располагаются в районах сварных швов корпуса, фланцев для отбора воздуха на различные нужды систем ЛА, бобышек для крепления агрегатов. Они возникают от действия вибрационных нагрузок при повышенных статических нагрузках (рис. 26). Повышенные статические нагрузки наводятся при монтаже и изменяют расчётный характер нагружения корпусов камеры сгорания при работе двигателя.

Рис. 26. Трещина корпуса камеры сгорания в осевом направлении

Нарушение характеристик распыла форсунок вследствие закопчённости и закоксовывания вызывает местный перегрев стенок камеры сгорания и жаровой трубы. Это приводит к выпучиванию, короблению, растрескиванию, повышенному окислению материала стенки КС и ЖТ (рис.27). Ухудшение распыла топлива форсунками из-за отложения нагара или засорения (рис. 28) является причиной значительной неравномерности температурного поля перед турбиной.

Рис. 27. Характерные повреждения стенок жаровой трубы: а - прогар и коробление внутренней стенки ЖТ; б - коробление и трещина наружной стенки, проходящая через все панели ЖТ.

Рис. 28. Отложение нагара на диффузорах форсунок КС

В силу своих конструктивных особенностей ЖТ двигателей семейства CFM56 в процессе эксплуатации подвергаются таким характерным повреждениям, как прогар и частичная потеря материала дефлектора фронтового устройства КС (рис. 29).

Рис. 29. Состояния дефлекторов фронтовых устройств КС: а - состояние дефлектора, подверженного газовой эрозии; б - обгорание и утеря кромок дефлектора; в - исходное состояние дефлекторов ФУ КС, не побывавшей в эксплуатации

В случаях попадания в проточную часть двигателя птицы или иных посторонних предметов требованиями технической эксплуатации двигателя установлена необходимость проверки посадки ЖТ на топливные форсунки, которые обеспечивают поддержку ЖТ в передней плоскости [4]. При этом, в результате ударного воздействия посторонних предметов с ЖТ возможно её смещение (рис. 30), что так же не допустимо, так как это приведёт к работе КС в нерасчётном режиме, что, в общем, неблагоприятно сказывается на её ресурсе. В соответствии с программой ТО через определённое количество часов наработки или совершённых циклов осуществляется периодический визуальный осмотр и оценка внутреннего технического состояния КС. По сравнению полученных в ходе осмотра данных с требуемыми допусками, которые прописаны в соответствующих по узлам разделах AMM, принимается решение о его дальнейшей эксплуатации или проведении надлежащего ремонта.

Рис. 30. Схема возможных посадок ЖТ на топливные форсунки [4]

3.2.3 Турбина

Рабочие лопатки турбины современных ГТД, работая в условиях сложного совместного действия статических, термоциклических и динамических нагрузок, подвергаются неизотермическому нагружению при достижении экстремальных температур в цикле нагружения. Это способствует появлению в материале обширных областей, охваченных циклическими пластическими деформациями, в которых исходные деформационные и прочностные свойства материала претерпевают значимые изменения. Этим во многом объясняются повреждения, переходящие в трещины и разрушения колёс и лопаток турбины. Основными причинами повреждений являются:

ь высокий уровень температурных нагрузок;

ь высокий уровень вибрационных нагрузок;

ь высокий уровень изотермических и неизотермических нагрузок;

ь высокий уровень динамических нагрузок;

ь длительные статические нагрузки.

Под влиянием повышенных термических напряжений и повышенных температур, по сравнению с номинальными значениями, в определённых условиях возникают следующие термические повреждения: перегрев материала элементов конструкции; обгорание пера лопатки; вытяжка рабочих лопаток турбины; трещины ползучести; повышенная степень окисления; растрескивание и прогар кромок лопаток (рис. 31).



Рис. 31. Типичные повреждения элементов конструкции турбины: а - эрозионный износ передних кромок лопаток турбины вулканическим пеплом; б - нарост вулканического пепла на торце рабочей лопатки турбины; в - образование термальных пузырей и закупорка отверстий для прохода охлаждающего воздуха; г - обрыв рабочей лопатки турбины в результате роста усталостной трещины до критического значения; д - обгорание рабочих лопаток ТНД; е - трещина ползучести и окисление материала рабочей лопатки ТНД

Повреждения от действия вибрационных нагрузок встречаются на всех типах ГТД, эксплуатирующихся в разных странах мира. Эти повреждения связаны с повышенным уровнем переменных напряжений, возникающих в деталях при их колебаниях, с качеством изготовления и режимом нагружения. Режим нагружения оказывает влияние как на предел усталости, так и на термоциклическую долговечность.

Изотермические и неизотермические режимы нагружения оказывают существенное влияние на возникновение повреждений малоцикловой усталости. Малоцикловое неизотермическое нагружение деталей горячей части ГТД характеризуется существенной нестационарностью. Эта нестационарность проявляется в изменении нагрузки (размаха напряжений или деформаций), разности температур, длительности цикла и развивающихся деформациях ползучести.

Под действием повышенных динамических нагрузок при наличии концентраторов напряжений, ухудшения физико-механических свойств материала и температурного состояния возникают усталостные повреждения рабочих лопаток турбины и лопаток СА (рис. 32 б). В результате такого воздействия возникают усталостные трещины в пазах замковой части лопаток. В эксплуатации при определённых условиях возможно растрескивание защитного покрытия и создание условий для ускорения коррозии (рис. 32 а).

Рис. 32. Повреждения лопаток СА ТВД двигателя CFM56-5B: а - разрушение защитного покрытия; б - усталостные трещины на внутренней бандажной полке

Под действием длительных статических нагрузок в сочетании с повышенными температурами накапливается деформация горячих статически нагруженных элементов авиадвигателей, по которым можно судить о выработке ресурса (рис. 33).

Рис. 33. Процедура контроля лопаток на предмет наличия остаточной деформации

3.2.4 Подшипники опор роторов

Все повреждения и разрушения подшипников, происходящие в условиях эксплуатации, могут быть условно разделены на следующие группы:

ь разрушения от усталости материала;

ь повреждения от повышенного износа;

ь разрушения, вызываемые изменением зазоров и посадок между деталями подшипников и опорами ротора;

ь повреждения с последующим разрушением из-за недостаточной смазки при запуске, из-за кратковременного или полного прекращения подачи масла при работе двигателя.

Усталостное разрушение подшипников качения проявляется в виде ямок или выкрашивания материала дорожек колец и тел качения, в эксплуатации это происходит из-за черезмерного увеличения нагрузок на подшипник или применения материала с дефектами и нарушения технологии изготовления. Возрастание нагрузок на подшипник является следствием увеличения неуравновешенности ротора, нарушения требований ТУ при монтаже подшипников на заводе-изготовителе или при ремонте.

Износ деталей подшипников выше допустимого, особенно тел качения и поверхностей колец, приводит к увеличению радиальных зазоров в подшипнике и к смещению ротора на величину, превышающую значение, предусмотренное ТУ. Чрезмерный износ тел качения вызывает повреждение других деталей, омываемых маслом. Из-за трения наружного кольца о направляющие борта при расхождении сепаратора под действием центробежных сил происходит износ последнего.

Повреждение подшипников качения от проскальзывания происходит в режиме работы подшипника с повышенным, обычно радиальным, зазором, когда действие определённых небольших нагрузок приводит к относительному проскальзыванию поверхностей качения. Проскальзывание чаще проявляется в роликоподшипниках опор ротора турбины двигателей, реже - в шарикоподшипниках. Основными причинами проскальзывания роликоподшипника в процессе эксплуатации ГТД являются:

ь снижение нагрузки на подшипник и изменение соотношения сил сопротивления при смещении опор ротора;

ь увеличение радиального зазора от перепада температур наружного и внутреннего кольца и в результате износа подшипника;

ь уменьшение числа роликов под нагрузкой и ухудшение условий входа в зону контакта при увеличении радиального зазора.

Повреждение подшипников при масляном голодании возникают при снижении давления в маслосистеме до величины ниже требуемой. Это приводит к нарушению баланса подвода и отвода тепла и, как следствие, к непропорциональному расширению элементов конструкции подшипника, возникновению нерасчётных условий работы, способствующих их разрушению.

При эксплуатации двигателей семейства CFM56 в силу их конструктивных особенностей возникали проблемы, связанные с чрезмерным износом четвёртой опоры, на которую опирается вал ТВД. Роликоподшипник четвёртой опоры является межвальным и опирается на вал ТНД. Из-за трудностей в идентификации условий реальной нагрузки межвальных подшипников обеспечение их работоспособности является достаточно сложной технической задачей. Несмотря на то, что в двигателях семейства CFM56 эта задача была решена, в эксплуатации имели место выходы из строя межвального подшипника четвёртой опоры. Повреждение заключалось в чрезмерном износе внешнего кольца роликоподшипника, что приводило к увеличению действующих на него нерасчётных нагрузок и тем самым к снижению его надёжности.

В связи с этим CFMI выпустило ряд бюллетеней, которые рекомендовали при последующем отходе двигателя в ремонт замену роликоподшипника, изготовленного из стали M50Nil (низкоуглеродистая легированная сталь с содержанием никеля), на роликоподшипник из глубокоазотированной стали марки 32CDV13 (рис. 34).

Рис. 34. Роликоподшипник четвёртой опоры двигателя CFM56-ALL: а - б/у старого образца; б - новый из глубокоазотированной стали

3.2.5 Детали приводов

Основными повреждениями деталей приводов являются неравномерный или повышенный износ, выкрашивание или отслаивание материала поверхности контакта, локальный перегрев, попадание стружки или других твёрдых частиц в каналы или на трущиеся поверхности. Выкрашивание материала поверхностей контакта происходит в результате действия высоких контактных напряжений в тонком поверхностном слое зубьев, приводящих к подслойным разрушениям. Как выкрашивание, так и отслаивание имеют усталостный характер.

Рис. 35. Повреждения деталей приводов: а - незначительный износ зубьев центрального привода; б - разрушение срезной муфты между воздушным стартером и КПА; в - трещина на КПА в районе фланца привода агрегата

3.2.6 Трубопроводы

Трубопроводы топливной, масляной и дренажной систем подвержены повреждениям типа надрезов, вмятин, местного износа. Вследствие установки с нарушением ТУ возможно скручивание, местный износ, трещины от вибраций. Трещины вблизи наконечников трубопроводов чаще всего распространяются по сварному шву или в зоне теплового влияния. Причиной появления трещин может быть коррозия под напряжением или усталость при высокочастотной нагрузке.

Рис. 36. Продольная трещина в трубопроводе

3.3 Последствия повреждений элементов конструкции

Повреждения элементов конструкции ГТД, возникающие в процессе длительной эксплуатации, способствуют [7]:

ь снижение тяги в среднем на 4%;

ь увеличению удельного расхода топлива в среднем на 3%;

ь уменьшению частоты вращения ротора низкого давления в среднем на 1%;

ь увеличению температуры газа за турбиной в среднем на 4%;

ь уменьшению суммарной степени повышения давления в среднем на 5%.

Все представленные фотографии повреждений элементов проточной части были получены на авиапредприятии в ходе проведения бороскопического осмотра двигателя CFM56-5B, входящего в силовую установку самолёта Airbus A320.

4. Методы, средства контроля и диагностирования технического состояния, применяемые в настоящее время в эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей семейства CFM56

Эксплуатация двигателей по состоянию предполагает организацию на эксплуатационном предприятии системы технического диагностирования, которая определяется как совокупность средств и объекта диагностирования и, при необходимости, исполнителей, подготовленная к диагностированию или осуществляющая его по правилам, установленным соответствующей документацией [16].

В соответствии с ГОСТ 20911-89 техническая диагностика (ТД) - отрасль знаний, исследующая техническое состояние объектов диагностирования и проявления технических состояний, разрабатывающая методы их определения, а также принципы построения и организацию использования систем. К основным задачам технической диагностики относятся:

- контроль технического состояния, под которым понимают определение вида технического состояния;

- поиск места и определение причин отказа и неисправности;

- прогнозирование технического состояния, в котором окажется объект в некоторый будущий момент времени;

- генезис, то есть определение состояния, в котором объект находился в некоторый момент в прошлом;

- распознавание состояния технических объектов в условиях ограниченной информации с целью повышения надежности и ресурса работы этих объектов.

В эксплуатации двигателей семейства CFM56 используются следующие функциональные методы технического диагностирования и методы неразрушающего контроля:

- диагностирование по изменению рабочих параметров;

- визуально-оптический метод диагностирования;

- диагностирование по наличию продуктов износа в масле;

- диагностирование концентрации продуктов износа в масле;

- диагностирование по параметрам вибрации.

4.1 Диагностирование по изменению рабочих параметров

Диагностирование ГТД по газодинамическим параметрам является одним из эффективных методов оценки его технического состояния. Этим методом выявляется главный параметр - способность ГТД обеспечивать требуемую мощность или тягу.

Данный метод оценки состояния ГТД основывается на анализе тенденций изменения отклонения нерегистрируемых параметров от эталонных (базовых) значений. В свою очередь, нерегистрируемые параметры рассчитываются по результатам измерения регистрируемых (контролируемых) параметров.

В качестве диагностических регистрируемых параметров ГТД используют температуру газов за турбиной Т^*, частоту вращения роторов высокого n_вд и низкого n_нд давления, часовой расход топлива G_т, давление топлива перед форсунками p_ф и температуру масла на входе в двигатель t_n. Кроме того, на входе в двигатель регистрируется полная температура и полное давление наружного воздуха.

Нерегистрируемые параметры ГТД - это параметры проточной части (камер сгорания, форсунок, состояние лопаток компрессора и турбины, коэффициент полезного действия и тяга двигателя, и т.д.).

Данный метод позволяет выявить только те неисправности, которые вызывают изменение отклонений термогазодинамических параметров и параметров системы смазки. Характерные выявляемые неисправности - это увеличение радиальных зазоров в лопаточных машинах, износ торцов лопаток компрессора, турбины, коробление лопаток компрессора, турбины и газовоздушного тракта, изменение формы профилей лопаток компрессора и турбины, прогар, коробление камер сгорания и лопаток соплового аппарата, разрушение лабиринтных уплотнений.

4.2 Визуально-оптический метод диагностирования

Оптический НК - это неразрушающий контроль, основанный на анализе взаимодействия оптического излучения с объектом контроля (ГОСТ 24521-80). Визуальный контроль (осмотр невооруженным глазом) - простейший и общедоступный вид НК, обеспечивающий высокую производительность контроля. Он особенно эффективен при контроле сравнительно больших объектов и широко применяется в эксплуатации ВС.

Средствами оптического метода диагностирования являются различные оптические устройства от самых простых луп (рис. 37) до сложных и многофункциональных эндоскопов, фиброскопов и телеэндоскопов, разнообразие которых объединяется в одно общее название - бороскопы. Существуют жёсткие и гибкие бороскопы.

Рис. 37. Лупа с десятикратным увеличением, подсветкой и белой измерительной шкалой

Жёсткие бороскопы (рис. 38) предназначены для визуального осмотра узлов, к которым возможен прямолинейный доступ, они используются для осмотра газовоздушного тракта авиадвигателей, полостей агрегатов. Жёсткие бороскопы состоят из визуальной и осветительной системы. Визуальная система состоит из линзовой, стержневой или градиентной оптики, которая заключена во внутреннюю металлическую трубку.

Рис. 38. Жёсткие бороскопы

Осветительная система состоит из оптического волокна, которое расположено между двумя металлическими трубками - наружной и внутренней [17]. Жесткие бороскопы характеризуются четырьмя основными параметрами: диаметром рабочей части, длиной рабочей части, углом направления наблюдения и углом поля зрения. Наиболее распространенные диаметры рабочей части: 1,7; 2; 2,7; 4, 6, 8 и 10 мм. Длина жестких бороскопов обычно варьируется в пределах от 100 до 1000 мм и изменяется с шагом 200-300 мм. Основные углы направления наблюдения 0, 30, 45, 75, 90 и 110°.

Угол направления наблюдения может быть и плавно изменяемым в эндоскопах с качающейся призмой - от 30 до 110°. Угол поля зрения, как правило, варьируется от 50 до 90°. При этом необходимо учитывать, что увеличение поля зрения приводит к уменьшению детализации, то есть можно видеть много и мелко или мало и крупно. Основное преимущество жестких эндоскопов заключается в высокой разрешающей способности - до 25 линий на миллиметр.

Гибкие бороскопы. Не всегда возможен прямой доступ к объекту, или сам объект имеет сложную геометрию, например газотурбинные, электрические двигатели, турбогенераторы. В этом случае для визуального контроля применяются гибкие бороскопы (рис. 39).

Рис. 39. Гибкий бороскоп

В гибких бороскопах визуальная система и система передачи света состоят из волоконной оптики, смонтированной внутри гибкой трубки с управляемым дистальным концом. Канал для передачи изображения представляет собой линзовый объектив, который строит изображение исследуемого объекта на торце кабеля передачи изображения. Далее изображение передается по кабелю, состоящему из большого числа волокон толщиной 10-12 мкм. Конец световолоконного жгута вмонтирован в специальный наконечник, подключающийся к осветителю. Гибкие бороскопы имеют управляемый дистальный конец, изгибающийся в одной или двух плоскостях. Как правило, это определяется диаметром рабочей части. Бороскопы могут иметь канал для гибкого инструмента при необходимости осуществления манипуляций, например, захвата предметов, взятия пробы.

Основным недостатком гибких бороскопов по сравнению с жесткими является более низкая разрешающая способность. При выборе гибкого бороскопа руководствуются двумя основными параметрами диаметром и длиной рабочей части. Наиболее распространены диаметры 4, 6, 8 и 10 мм. Обычно гибкие бороскопы имеют герметичную маслобензостойкую рабочую часть с покрытием из нержавеющей стали.

Видеобороскопы. Гибкие волоконно-оптические бороскопы имеют ряд недостатков, наиболее существенные из которых - невысокая разрешающая способность и ограничение по длине, определяемые затуханием в волокне. Модернизация или, точнее, замена в системе передачи изображения гибкого эндоскопа волоконно-оптического жгута на электронику позволила повысить разрешающую способность приборов, увеличить их длину и привела к появлению видеобороскопов. Изображение в них через объектив попадает на ПЗС-матрицу, затем сигнал по кабелю передается в блок преобразования и выводится на монитор. В настоящее время в мире производятся видеобороскопы (рис. 40) с диаметрами рабочей части 6, 8,10, 12, 16 и 20 мм и длиной кабеля от 2 до 30 м.

Рис. 40. Видеобороскоп IPLEX SA II R фирмы OLIMPUS

Основными их функциями являются: осмотр, запись, измерения. К тому же наиболее продвинутые видеобороскопы имеют расширенные функции по обработке изображений, записи цифровых снимков, измерений. Функции измерений особенно впечатляют. К примеру, видеобороскоп IPLEX SA II R фирмы OLIMPUS имеет следующие функции измерения:

- Сравнительные линейные измерения: измерение расстояний между двумя отмеченными точками;

- Стереоизмерения: измеряется расстояние между двумя отмеченными точками (требуется измерительный стереобъектив);

- Измерение от точки до линии: измеряется расстояние от воображаемой линии, обозначенной двумя точками, до точки, отмеченной вне линии. Метод рекомендован для определения глубины повреждений лопаток компрессоров ГТД (рис. 41);

- Измерение глубины/высоты: измеряется глубина/высота от воображаемой плоскости, обозначенной тремя точками, до четвертой точки, находящейся на "вершине" (в углублении) дефекта;

- Измерение площади/линии: вычисляется площадь участка поверхности, ограниченного замкнутой ломаной линией (до 20 точек) и общая длина ломаной линии;

Рис. 41. Замер расстояния от точки до воображаемой линии: а - определение глубины забоины; б - определение площади скола

4.3 Диагностирование по наличию продуктов износа в масле

Оценка технического состояния деталей, омываемых маслом, осуществляется по наличию металлических частиц - продуктов износа деталей кинематических пар, которые улавливаются с использованием штатных чувствительных элементов: датчиков и сигнализаторов (рис. 42).

Рис. 42. Чип-детектор (магнитная пробка)

Количество продуктов изнашивания зависит от скорости развития дефектов и является диагностическим признаком технического состояния деталей [16]. С помощью данного метода, осуществляется бортовой контроль и выявляются неисправности подшипников и лабиринтных уплотнений опор роторов, неисправность деталей коробки приводов и центрального привода, неисправности приводных агрегатов, включенных в маслосистему ГТД (электрогенераторы, гидронасосы). Бортовой контроль необходим для предупреждения о дефекте узлов трения во время работы ГТД (в полете) за небольшой интервал времени до возникновения опасности их разрушения. К бортовым средствам обнаружения частиц износа относятся:

- электрические детекторы; при накоплении определенного количества продуктов износа происходит замыкание контактов и формирование предупреждающего сигнала на приборную панель экипажу или записывающее устройство.

- магнитные пробки (МП), которые устанавливаются в трубопроводах и полостях двигателя в районах циркуляции масла. Осмотр МП выполняется в процессе ТО на земле с периодичностью, предусмотренной регламентом.

4.4 Диагностирование по концентрации продуктов износа в масле

Данный метод осуществляется на земле в лабораторных условиях в виде спектрального анализа проб масла, феррографического и гранулометрического анализов, а также определение марки материала продуктов износа [16]. В процессе спектрального анализа определяются концентрации в масле металлов, из которых состоят частицы износа. Как правило, определяется содержание железа и меди, реже серебра. Феррографический анализ позволяет выявлять размеры, форму и количество крупных частиц в масле. По этим параметрам можно составить картину характера повреждения трущихся поверхностей.

При гранулометрическом анализе определяется общая загрязненность масла любыми частицами с определением их размеров, количества и соответствие нормируемому классу чистоты масла по ГОСТ 17216-2001.

Периодичность отбора проб масла устанавливается не реже, чем через 200 часов полета. Пробы масла берутся через 15…40 минут после остановки двигателя, пока частицы износа находятся во взвешенном состоянии. При возрастании содержания продуктов износа в масле отбор проб производится чаще. Для определения концентрации продуктов износа в масле на авиапредприятиях преимущественно используются установки двух типов:

- установка типа МФС-7 (многоканальный фотоэлектрический спектрометр), основанная на применении эмиссионного спектрального метода;

- установка БАРС-3 (бездифракционный анализатор рентгеновский скоростной), основана на реализации рентгеноспектрального метода определения содержания продуктов износа в рабочих маслах.

Рассмотрим схему работы установки типа МФС. Она предназначена для возбуждения эмиссионных спектров и регистрации сигналов, вызванных излучением спектральных линий различных элементов, находящихся в работавшем масле. На рис. 43 показана принципиальная схема установки МФС-7.

Рис.43. Схема спектрометра МФС-7 [16]

При спектральном анализе пробы масла сжигают в электрической дуге. В основу работы установки положен метод эмиссионного спектрального анализа, использующий явление свечения газа или пара исследуемого вещества в результате нагревания его до температуры выше 1000єС. Свечение через усилительную линзу поступает в полихроматор, где установлена дифракционная решетка, разлагающая спектр излучения на составляющие по длинам волн. Излучение с определенными длинами волн фокусируется в виде спектра на сферической поверхности полихроматора. В сфере имеются девятнадцать узких щелей, через которые излучение с определенными длинами волн попадает на катоды фотоэлектронных умножителей (ФЭУ).

Электрический сигнал с каждого ФЭУ соответствует определенной длине волны или части спектра и пропорционален интенсивности свечения, а следовательно, концентрации продуктов износа. Управляющее устройство (УУ) управляет работой установки и обработкой сигналов. Вычислительное устройство (ВУ) обрабатывает полученную информацию и передает на устройство индикации (УИ). В составе УИ имеется цифропечатающее устройство и цифровой вольтметр.

Установки типа МФС позволяют с высокой точностью определять концентрацию 10 элементов (железо, медь, серебро, алюминий, свинец, кремний, магний, хром, никель, олово).

Время обжига масла составляет 20…25 с. Продолжительность анализа одной пробы масла составляет 3 мин.

При достижении концентрации одного из элементов износа предельного уровня, дальнейшая эксплуатация двигателя приостанавливается до выяснения причин и источника поступления продуктов износа в масло. По химическому составу продуктов износа возможно установить те группы деталей двигателя, неисправность которых может служить причиной повышения концентрации металла в масле:

- Fe - тела качения, обоймы и сепараторы подшипников , шестерни, рессоры и детали уплотнений;

- Cu - подпятники, маслоуплотнительные кольца, бронзовые и латунные сепараторы подшипников, омедненные шлицы рессор;

- Al, Mg - корпуса и детали агрегатов маслосистемы и системы суфлирования, корпуса коробок приводов и их крышки.

Исследуя комбинации элементов продуктов износа в зависимости от наработки, возможно устанавливать адрес неисправности и, в определенной степени, прогнозировать техническое состояние двигателя.

4.5 Диагностирование по параметрам вибрации

В эксплуатационных условиях контроль вибрации используется:

- для оценки допустимости ее уровня в интересах обеспечения динамической прочности элементов конструкции двигателя (допустимые уровни устанавливаются нормативными документами);

- для определения технического состояния ГТД и типа неисправности по характеру изменения вибрации.

Диагностирование изменения состояния ГТД связано с анализом тенденций изменения параметров вибрации от времени эксплуатации и выполняется по результатам ее регистрации в 10...40 полетах в сходных высотно-скоростных и режимных условиях работы двигателя.

Можно выделить несколько типов поведения вибрации, которые связаны с развитием неисправностей в роторной части двигателя: тренд, скачок, выброс и разброс (рис. 44).

Рис. 44. Изменение параметров вибрации [14]

Монотонный рост уровня вибрации - тренд (рис. 44а) свидетельствует об относительно медленном развитии неисправности, связанной с износом элементов проточной части или подшипников ротора.

Выброс - это скачкообразное увеличение вибрации с последующим возвращением к исходному уровню (рис. 44б). Возможная причина - неисправность виброизмерительной аппаратуры.

Скачок уровня вибрации (рис. 44в) может быть обусловлен мгновенным изменением неуравновешенности ротора из-за повреждения лопаток ротора посторонними предметами.

Появление значительной нестабильности уровня вибрации во времени (рис. 44г) может быть связано с влиянием внешних факторов, либо с ослаблением крепления двигателя и появлением резонансов в районе рабочих оборотов.

Вышеуказанные признаки могут проявляться и у исправных двигателей, поэтому необходим комплексный подход к анализу сигналов вибрации, включающий такие виды обработки, как спектральный анализ прямого и преобразованного спектра, полосовую фильтрацию, детектирование, статистический анализ. Ниже рассмотрены эти виды обработки сигналов более подробно.

На сколько эффективными бы ни были привёденные методы диагностирования, у всех них есть свои недостатки, заключающиеся в неоднозначности значения диагностических параметров, что приводит к дополнительным временным затратам на поиск причин и проверку достоверности информации. Например, изменение структурных геометрических параметров рабочей лопатки КВД (наличие эрозионного износа, забоины, вмятины, царапины, потеря материала) приводит к возникновению неуравновешенности ротора, проявляющейся в повышении уровня вибрации двигателя. В свою очередь, значение уровня вибрации имеет прямую связь с целостностью и состоянием подшипниковых опор. Для точного определения причины неисправности требуются более совершенные методы диагностирования, имеющие прямую связь между диагностическими и структурными параметрами.

5. Перспективный метод регистрации повреждений элементов проточной части авиационных газотурбинных двигателей семейства CFM56

Одним из непременных условий реализации перспективных методов технического обслуживания газотурбинных двигателей является широкое использование совокупности различных методов и средств технической диагностики, которые должны обеспечить обнаружение дефектов на ранней стадии их развития для обеспечения своевременного проведения ремонтных работ и недопущения аварии [19].

Подавляющее большинство дефектов проточной части ГТД характеризуется изменением геометрических характеристик отдельных элементов (обрыв, разрушение, трещины, забоины, нагар, эрозивный и абразивный износ, искривление роторных и статорных лопаток, прогар камеры сгорания и пр.) или их кинематических параметров (помпажные явления, возрастание уровня колебаний лопаток, изменение параметров вибрации, биение вала ротора, неравномерность вращения и др.).

Для оценки состояния элементов проточной части наиболее широко используются неконтактные и виброакустические средства, которые, несмотря на свои очевидные преимущества, не в полной мере обеспечивают достоверный оперативный контроль элементов ГТД. Одним из факторов, сдерживающих применение названных систем на "горячих" частях двигателя, является ограниченный диапазон рабочих температур их первичных датчиков. В последние годы получил развитие метод контроля состояния и диагностики ГТД, основанный на использовании радиолокационных измерений, который обеспечивает автоматический контроль состояния подвижных элементов в процессе функционирования ГТД без проведения сборочно-разборочных работ.

Независимо от назначения радиолокационных систем, принцип их действия основан на излучении электромагнитных колебаний частотой от 3 до 40 ГГц в направлении движущихся элементов ГТД и приеме сигнала, сформированного в результате отражений от диагностируемых элементов и их окружения. Вращение ротора приводит к постоянному изменению положения роторных лопаток относительно антенн и возникновению сигнала, обусловленного параметрами поля вблизи приемной антенны (рис. 45). Параметры этого поля зависят от движения роторных лопаток, а также от их формы, линейных размеров, отражающих свойств и положения относительно излучающей и приемной антенн.

Рис. 45. Принцип формирования сигнала и состав радиолокационной системы

В общем случае в состав радиолокационной измерительной системы могут входить (рис. 45): антенны, линии передачи сигналов, приемо-передатчик СВЧ сигналов (радар), а также блок управления, питания и обработки.

В зависимости от назначения радиолокационных систем, могут быть определены относительные или абсолютные параметры движения облучаемых элементов, например, роторных лопаток (частота вращения или колебания, изменение периодичности и скорости движения и пр.) и (или) определен факт изменения их формы, размеров или положения (износ, разрушение, коробление, нагар, изменение радиального зазора и пр.).

Наилучшие результаты могут быть получены при оптимизации конструкции радара, его структурной схемы, методов выделения полезной информации из принимаемых сигналов и алгоритмов их обработки для решения конкретной контрольной или измерительной задачи на конкретном типе двигателя. Однако, во многих случаях возможно использование одного и того же микроволнового датчика для решения различных задач. Например, при расположении антенны в районе первой ступени компрессора возможно определение частоты вращения ротора, его углового положения, радиальных зазоров и параметров колебания роторных лопаток. Далее приводятся краткие результаты, полученные в разное время ООО "Радарные технологии - 2Т" в натурных условиях при использовании микроволновых датчиков для определения факта повреждения роторных лопаток, определения частот вращения роторов двухвального двигателя, вибрации статичных и вращающихся роторных лопаток, а также определения прохождения через проточную часть посторонних предметов.

5.1 Обнаружение дефектов роторных лопаток

Обнаружение дефектов роторных лопаток основано на том, что при отсутствии дефектов (неизменных геометрических характеристиках отражающих элементов) форма сигнала, получаемого от микроволнового датчика, стабильна и имеет период повторения, равный периоду вращения вала ротора. При возникновении дефектов, связанных с изменением геометрических размеров диагностируемых элементов (забоины, трещины, обрыв, отложения, эрозивный износ лопаток ротора и пр.) или их взаимного положения, происходит изменение формы поступающего от радиолокационного датчика сигнала на временном интервале, соответствующем прохождению дефектного элемента мимо приемоизлучающей антенны.

Это обстоятельство позволяет создавать радиолокационные системы для автоматического обнаружения забоин, основанные на сопоставлении сигналов, полученных в процессе диагностики, с сигналами, полученными ранее от заведомо исправного двигателя.

Такая система диагностики позволяет не только установить факт наличия забоин, но также определить число дефектных лопаток по числу интенсивных "всплесков", их местоположение - по положению "всплесков" на протяжении одного оборота и оценить их размер по уровню этих "всплесков". В ряде случаев можно так организовать измерения, что сигнал от радиолокационного датчика будет определяться только геометрическими характеристиками лопаток одного рабочего колеса. Поскольку лопатки одного рабочего колеса идентичны друг другу и расположены симметрично, то обнаружение дефектов и их локализация могут проводиться путем сопоставительного анализа всех фрагментов сигнала от РЛД длительностью:

t = 1/n·F_вр (1)

где F_вр - частота вращения ротора, n - число лопаток рабочего колеса.

При отсутствии дефектов сигналы, соответствующие одной лопатке, имеют минимальные отличия между собой. При возникновении дефектов появляются отличия между сигналами от разных лопаток, которые увеличиваются при росте размеров дефектов (рис. 46). Преимущество этого способа обнаружения забоин состоит в использовании не абсолютных, а относительных измерений, что позволяет отказаться от измерения характеристик исправного механизма (получения эталонного сигнала).

Рис. 46. Забоина на лопатке компрессора и её представление в виде сигнала

5.2 Определение частот вращения роторов двухвального двигателя

Измерение частот вращения, скольжения и времени выбега может быть реализовано при различных схемах измерений и не требует оптимизации параметров микроволновых датчиков. Измерение частоты вращения ротора может представлять самостоятельный интерес, но в большинстве случаев является вспомогательной задачей, обеспечивая автономность микроволновой системы (независимость ее использования от сигналов тахогенератора) при измерении колебаний лопаток, радиальных зазоров и пр. В случае расположения антенны микроволновой системы между ступенями высокого и низкого давления обеспечивается получение сигнала, в спектре которого присутствуют составляющие, обусловленные частотами вращения обоих роторов. На рис. 47 приведена спектрограмма сигнала, полученного от микроволнового датчика, антенна которого установлена между турбинами высокого и низкого давления, при запуске двухконтурного авиационного двигателя. Видно, что в первое время после запуска двигателя в спектре сигнала доминируют гармоники лопаточной частоты турбины высокого давления, которые после начала вращения турбины низкого давления дополняются гармониками лопаточной частоты турбины низкого давления и их комбинационными частотами (гармониками частоты скольжения). Измерение частот вращения и времени выбега также может осуществляться дистанционно при использовании специализированного радара, удаленного от двигателя на десятки, сотни метров.

Рис.47. Антенна микроволнового датчика и спектрограмма сигнала

5.3 Вибрации роторных лопаток

Простейшие микроволновые датчики могут использоваться для измерения параметров колебаний неподвижных лопаток. На рис. 48 приведены последовательности амплитудных спектров сигналов (режим "водопад"), полученных от тензодатчика (вверху) и радиолокационного датчика (внизу) при перестройке частоты вибростенда в районе резонансной частоты турбинной лопатки. Как видно из приведенных спектров, полученные по двум различным каналам зависимости совпадают.

Рис. 48. Вибростенд и графическое представление амплитудных спектров сигналов

Возможность определения колебаний роторных лопаток и обнаружения забоин при их одновременном возникновении в процессе функционирования ГТД подтверждена теоретически и экспериментально. На рис. 49 показано изменение формы экспериментальных сигналов, полученных за несколько оборотов ротора при наличии забоины (верхняя совокупность кривых) и колебании одной роторной лопатки (нижняя совокупность кривых).



Рис. 49. Формы сигналов при наличии забоины и при её отсутствии

Использование различных алгоритмов обработки сигналов позволяет определить те или иные параметры колебаний роторных лопаток при работе роторной машины как в постобработке, так и в реальном времени. На рис. 50 представлены распределения напряжений, действующих у корня компрессорной лопатки, которые измеряются тензодатчиком, и результаты обработки сигналов микроволнового датчика (внизу) при перестройке частоты вращения ротора (ее третьей гармоники) вблизи резонанса компрессорной лопатки. Видно, что характер изменения максимальных значений параметров, определяемых двумя различными системами, при перестройке частоты вращения имеет высокую корреляцию. Приведенные результаты получены без доработки двигателя, во время его стендовых испытаний. При этом антенна микроволновой системы устанавливалась в лючок эндоскопического осмотра двигателя вместо стандартной заглушки.

Рис. 50. Графики распределения напряжений, действующих у корня компрессорной лопатки измеренных с помощью тензодатчика (вверху) и микроволнового датчика (внизу)

5.4 Измерение радиальных зазоров

Как известно, увеличение относительных радиальных зазоров газотурбинных двигателей (т.е. расстояния между внутренней поверхностью корпуса и торцами роторных лопаток) на 1% приводит к снижению КПД двигателя примерно на 3% и перерасходу топлива почти на 10% . В процессе работы роторной машины различные элементы газовоздушного тракта под воздействием температуры в разной степени изменяют свои линейные размеры, поэтому возможно либо чрезмерное увеличение радиального зазора, либо задевание роторных лопаток за корпус.

Измерение истинного значения радиальных зазоров в процессе функционирования ГТД и использование результатов измерения для управления величиной зазоров в процессе испытаний и штатной эксплуатации роторных машин позволяет существенно улучшить их технико-экономические параметры и надежность. Для практического измерения величины радиальных зазоров ГТД применяют аппаратуру, основанную на использовании механических или неконтактных (емкостных, вихретоковых, оптических и др.) первичных преобразователей (датчиков). Механические датчики в виде различных щупов и конструкций не позволяют измерять радиальные зазоры при их увеличении и в большинстве случаев не обеспечивают оперативный контроль. Недостатком перечисленных неконтактных датчиков является сложность обеспечения требуемой точности измерения радиальных зазоров при воздействии на первичные преобразователи высокой температуры, что затрудняет их использование на турбинах низкого и высокого давления.

Для измерения радиальных зазоров также может быть использован микроволновый метод, представляющий собой адаптированный к условиям газотурбинного двигателя фазовый метод измерения расстояний с использованием электромагнитных СВЧ колебаний, который заключается в том, что расстояние ?, пройденное до отражающего объекта, определяют через измерение разности фаз Дц излучаемого и принятого сигналов:

Дц=4р?/л, (2)

где ? - измеряемое расстояние, л - длина волны СВЧ колебания.

Измерение разности фаз осуществляют, как правило, с помощью фазового детектора, имеющего периодическую зависимость выходного сигнала от разности фаз сигналов на его входах, например:

U_вых=U₀·sinДц, (3)

где U_вых - выходное напряжение фазового детектора, U₀ - амплитуда напряжения фазового детектора.

В соответствии с (3), полная разность фаз определяется как:

Дц=ц₁+2рn, (4)

где ц₁=arcsin(U_вых/U₀) - значение разности фаз, лежащее в диапазоне 0<ц₁<2р, n = 0, 1, 2, ... - целое число.

С учетом (2) и (4), выражение для определения радиальных зазоров с использованием непрерывных СВЧ сигналов может быть записано в следующем виде:

?= л(ц₁+2рn) /4р. (5)

Поскольку в большинстве случаев величина радиального зазора не превышает 2…10 мм, она может быть однозначно определена с использованием электромагнитных колебаний частотой 7… 38 ГГц (длина волны 8…40 мм).

Основное преимущество радиолокационного измерения радиальных зазоров состоит в том, что в точке измерения радиальных зазоров над верхними кромками роторных лопаток устанавливается только приемно-излучающая антенна, а радиоэлектронная аппаратура, обеспечивающая формирование зондирующих сигналов, прием отраженных сигналов и их обработку (активный микроволновый блок) размещается в "комфортных" условиях на удалении от "горячей" точки, в которой установлена антенна. При этом передача зондирующих сигналов от СВЧ блока к антенне и отраженного сигнала от антенны к СВЧ блоку может осуществляться с использованием коаксиальной или волноводной линии передачи сигналов значительной длины. Особенность измерения радиальных зазоров роторных машин состоит в том, что требуется выполнение измерений, желательно по каждой лопатке рабочего колеса, в широком температурном диапазоне (-60° …+1600°С) при воздействии на измерительное оборудование вибрации (до 10…60 g) сложной спектральной структуры.

Известные нам методы измерения радиальных зазоров, основанные на измерении фазы с использованием микроволновых датчиков, могут отличаться между собой схемой измерения, типом фазового детектора, рабочей длиной волны, типом и конструкцией антенн и линий передачи сигналов, реализованными методами минимизации влияния температуры и вибрации на результаты изменения и принципами калибровки. Тем не менее, в подавляющем большинстве случаев аппаратура, осуществляющая эти измерения, выполняется в соответствии с обобщенной структурной схемой, представленной на рис. 51. Точность измерения фазы в микроволновой системе определяется стабильностью излучаемых колебаний, шумами тракта обработки и теоретически позволяет измерять расстояние с точностью до тысячных долей микрона.



Рис. 51. Обобщённая структурная схема фазового детектора

5.5 Прохождение через проточную часть посторонних предметов

Экспериментальные исследования на авиационном двигателе показали, что при прохождении через проточную часть посторонних предметов, в выходном сигнале РЛД возникает интенсивная случайная составляющая, которая может значительно превышать уровень сигнала в нормальных условиях и имеет широкополосный спектр. На рис. 52 приведены реализация выходного сигнала микроволнового датчика (вверху) и его сонограмма (внизу), полученные во время прохождения через проточную часть ГТД металлических опилок. Прохождение через проточную часть графита и кварцевого песка проявляется аналогично. При проведении этих измерений антенна микроволновой системы устанавливалась в смотровом лючке между второй и третьей ступенями компрессора.

Для повышения вероятности обнаружения прохождения небольших одиночных посторонних предметов необходима установка нескольких антенных систем по периметру входа двигателя и оптимизация параметров и режимов работы микроволнового датчика. Приведенные примеры демонстрируют лишь часть возможностей микроволновых систем по контролю состояния и измерению параметров газотурбинных двигателей.

Рис. 52 Микроволновый датчик, выходной сигнал (справа вверху) и его сонограмма (справа внизу), полученные во время прохождения через проточную часть ГТД металлических опилок

Выводы и рекомендации

На основании результатов бороскопии, проводимой в ДАТО ФГОУ ГТК "Россия", и информации, полученной из интернета, следует сделать вывод, что двигатели семейства CFM56, несмотря на высокий заявленный ресурс, подвержены воздействию эксплуатационных факторов, под влиянием которых возникают повреждения их конструктивных элементов.

В ходе работ по осмотру выявлены следующие повреждения:

ь наличие забоин, вмятин, царапин, на элементах проточной части компрессора;

ь наличие механических потёртостей по заднему торцу полок рабочих лопаток и переднему краю бандажных сегментов лопаток направляющего аппарата второй и третьей ступени КВД, а также наличие механических потёртостей на выступах дисков и Г-образных кромках бандажных полуколец тех же ступеней, возникающих вследствие контакта вращающихся и неподвижных частей КВД;