Введение к работе
Актуальность темы.
Работа выполнена в ГосНИИ ГА в соответствии о "Комплексной программой развития диагностики ГА до 2000 г. " и договорами Гоо НИИ ГА О МГА N 80.136-306 и ДВТ N 80.136-1652.
Дефекты и неисправности двигателей, связанные о нарушением "геометрии" проточной части,составляют до 30 % всех неисправностей газотурбинных двигателей (ГТД). Для выявления таких неисправностей предназначены методы параметрического диагностирования.
Диагностирование по характеристикам модулей (в дальнейшем ДХМ) - разновидность параметрического диагностирования, ориентированная на локализацию неисправностей о глубиной до модуля, заключающаяся в прямом измерении и оценке характеристик модулей в эксплуатации, требующая для своей реализации специальных внешних наземных устройств, а также новых методов проведения испытаний и обработки результатов. В данной работе модулем называется конструктивный элемент ГТД (компрессор, турбина, камера сгорания). В ГТД модульной конструкции модули - взаимозаменяемые. Поэтому наибольший эффект от внедрения ДХМ может быть получен при эксплуатации модульных двигателей за счет своевременной замены дефектных модулей прямо на Сорту воздушного судна вместо отправки двигателя в ремонт, как это почти всегда делается в настоящее время. В то же время повышение достоверности диагностирования за счет прямого измерения характеристик модулей при ДХМ позволяет снизить число отказов и число необоснованных досрочных сьемов ГТД, в том числе и не модульной конструкции.
Для внедрения диагностирования по характеристикам модулей необходимо разработать методологию ДХМ, . что обуславливает актуальность темы диссертационной работы.
Дель работы - разработка теоретических основ и методологии диагностирования по характеристикам модулей, обоснование эффективности ДХМ и зкелершентальюе подтверждение возможности осуществления диагностирования-ГТД для определения их технического состояния (ТС) с глубиной до модуля, в условиях эксплуатации.
Зздлчи исследований:
-
Разработка теоретических положений, обосновывающих лозмох-ные способы введения рассогласования турбшш и компрессора для реализации ДХМ, о анализом наиболее пригодных способов в экоплуа-тации.
-
Обоснование способа измерения расхода воздуха и полного давления на входе в двигатель при испытаниях по ДХМ, включая способы тарировки измерительних устройств.
-
Обоснование состава, схемная и конструктивная проработка специальных устройств для реализации ДХМ. Составление исходных требований на уотройствз.
-
Разработка метода наиболее рационального проведения испытаний по ДХМ, включая обработку и анализ результатов.
Б. Анализ особенностей работы ГТД пг« разрехншш на входе в двигатель. Разработка метода оценки влияния разрешения на входе на термогаэодиномические параметры ГТД и мероприятий по обеспечении нормальной работы всех систем двигателя при разрежении.
-
Разработка метода определения влияния влажности на характеристики ГТД и его модулей.
-
Разработка метода оценки повышения эффективности эксплуатации от внедрения ДХМ и проведение анализа экономической эффективности внедрения ДХМ.
-
Создание необходимых уотройотв, подготовка и проведение экспериментальных исследований по реализации ДХМ.
Объекты исследований - термогазодинамические характеристики ГТД , их модулей , условия совместной работы турбины и компрессора ГТД, внешние факторы, воздействующие на параметры работы ГТД, уотройства для измерения расхода воздуха, устройства для воздействия на совместную работу турбшш и компрессора, параметрические методы диагностирования.
Методи исследований. Для решения поставленных задач использовались методы теории технической диагностики, теории воздушно-реактивных двигателей (ВРД), теории вероятностей, численные методы исследований процессов совместной работы турбины и компрессора
по подтверАдонии основній положении диссертационной работу. Шучдля^ювипил работы заклвчдетояі
в разработка теоретических основ и методологии диагностирования ГТД по характеристикам основных модулей, включящих теоретическое обоснование диагностирования!
в обосновании состава и схемкой проработке специальных устройств для реализации ДХМ j
в разработке методов проведения испытаний, обработки и анализа результатов, включая учет влияния работы ГТД о разреженней и влияние влажности на хар.'іктеристики модулей;
* в разработке метода оценки эффективности ДХМ.
Практическая анпчинооть работы заключается а возможности по-зьгаения.безопасности полетов и регулярности рейсов за счет Оолео достсрерного и своевременного Уфедчденкя ТС ccHL?viiix клдулей при ЛХМ. При этом обеспечивается уменьшение количества откаэоа ГГД и уменьсение числа необеснопако снятых о эксплуатация исправных двигателей, а также -"своевременная и обоснованная замена поврежденных модулей у ГТД модульной конструкции. Автор защищает:.
теоретические положения, обосновывающие возможные способы введения рассогласования турбины и компрессора для реализации ДХМ с анализом наиболее пригодных способов для реализации ДХМ в эксплуатации;
способы измерения расхода воздуха и полного давления на входе в двигатель при испытаниях по ДХМ, включая способы тариров-ки измерительных устройств;
необходимый состав устройств, схемную и конструктивную проработку специальных устройств для реализации ДлМ;
метсд оценки влляния разрежения на входе в двигатель на термсгазодинамические параметры и оценку влияния разрежения на рабсту основных систем ГТД, включая конкретные предложения по обеспеченно нормальной работы всех систем двигателя;
мотсд определения влияния влажности на параметры ГТД;
метод наиболее рационального порядка проведения испытаний
- метод оценки эффективности аксплуатации в зависшооти от
качества диагностирования ГТД;
- результаты экспериментальных исследований по ДХМ.
Достоверность основных положений диссертации подтверждена ре
зультатами экспериментальных исследований, проведенных автором.
Рядлиааццу, результатов рдботи.
Результаты работы реализованы при разработке документові ,
Указание МГА от 26.06.87 N 4577У " 0 проведении экспериментальных исследований метода диагностирования двигателей ТВ2-117";
Программа наземных экспериментальных исследований методов диагностирования двигателей ТВ2-117 на вертолете Ми-8, утв. Глав НТУ МГА 08.07.88г;
Технологическая инструкция по. 'диагностированию двигателей TQP.-117", утв. Глав НТУ МГА, согл. Гл.метролог МГА ;
Программа испытаний на гидротормозном стенде по тарировке устройств для намерения расхода воздуха, утв.ГосНИИ ГА ;
Межведомственный план по созданию и опробовании технологии определения запасов устойчивой работы к впрыску воды двигателей ТВ2-117, ГосНЮІ ГА, ЦИАМ, ОКБ им Климова, гавод-изгот., 1990 г;
Технология определения запасов устойчивой работы к впрыску воды двигателей ТВ2-117, прошедших ремонт на 404 заводе ГА, утв. ГУТЭРАТ МГА и ГУ НТП МГА 16.11.91г;
Решение о выпуске бюллетеня по дополнению руководства по ремонту двигателей технологией определения запасов устойчивой работы К впрыску воды, утв. МГА , МАП , 12.12,91 г;
Бюллетень N С79-973-БР-Т, Определение запасов устойчивой работы к впрыску воды двигателей ТВ2-117А(АГ), введен 22.01.92г;
Указание ОТЭРАТ ДВТ от 30.01.92 И 23,7-34, "О селективном отборе двигателей, устанавливаемых на один борт Ми-8 в зависимости от фактических ааласов к впрыску воды";
Предложения МГА по проведении работ по исследованию причин значительного различия в значениях порогового количества воды для различных экземпляров двигателей,, утв. ОТЭРАТ дат и ОРПС и НТП JJ3T.17 .04.92 г, ___
Технологическая инструкция по диагностировании двигателей ГВЗ-117 по температуре газов", утв. ОТЭРАТ ДВТ , ЛНПО им Климова, ГОСНИИ ГА 20.11.92,
Указание ДВТ от 13.12.94 N ДВ.25.1.5-91, 0 внедрении технологической инструкции по диагностированию двигателей ТВЗ-117,
План мероприятий по внедрению в практику авиапредприятий средств и методов диагностирования, утв. ОТЭРАТ ДВТ 03.12.94 г,
Отчет по научному сопровождению эксплуатации модульных га-еотурбишшх двигателей:
Часть 1 "Методология диагностирования газотурбинных двигателей по характеристикам основных элементов." утв.ОТЭРАТ 10.06.94,
Часть 2 " Оптимальный .набор специальных эксплуатационных устройств для диагностирования по характеристикам основных элементов ". утв. ОТЭРАТ ДВТ 16.11.94,
Часть 3, " Выбор наиболее^ целесообразного плана внедрения в ГА диагностирования ГТД по характеристикам элементов и объектов авиатехники для проведения экспериментальных исследований " утв. ОТЭРАТ ДВТ 18.03.95.
Экономический зффокт работы заключается в возможности снижения эксплуатационных затрат и получения прибыли за счет:
- уменьшения числа отказавших двигателей в эксплуатации,
- уменьшения числа исправных двигателей, необосновано снятых
с эксплуатации,
,..'* уменьшения числа досрочно снимаемых двигателей о неисправными модулями,, ..
- увеличения числа двигателей, отработавших ресурс.
' Наибольший.экономический эффект может быть получен от внедре-. ния ДХМ при эксплуатации воздушного оудна (ВС) о ГТД модульной конструкции. -
Апробация работы. Материалы диссертации докладывалиоь на научно-технической конференции молодых ' ученых и специалиотов в ГосНИМ ГА,(1979 г.). ,'- на научно-практическом семинаре "Проблемы эксплуатационной надежности авиационных ГТД".в г.Киеве (1983 г.), на научно-практическом семинаре проблем ПД в/ч 75360 г. Люберцы _(та34 г.), на научно-практическом семинаре по диагностированию"я~*
в -
ГооНЩ ГА <1^94 Г.), на заседании HTG ГосИШ ГА (1986т), на еа-оеданиях секции НТС WiO-13 roclDW ГА ( 1973 - 1985 гг.), в авиап-.радпридтнях ГА.
Ооноьнов содержание работы изложено в 4 опубликованных ататьпх, 2 авторских свидетельствах на изобретения, 5 отчетах ГсхзШі ГА и 3 отчетах, утвержденных ОТЭРАТ ДВТ.
Структура и пЬгом. работы.
Дисеоргационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключении, списка использованных источников и приложений. Работа июшчаат 147 страниц машинописного текста, 49 рисунков, 29 таблиц, список иопольааьанных 93 источников на 10 страницах и приложения на 73 страницах.
ЙЙ-'і^іЛ'.'.'іО! приведено иооснование акїуг.і:ьі;:хати теми дио-йрта-ции, формулируются цель и задачи работы, характеризуются методы исследования, научная иоьиэиз, достоверность и практическая значимость .
SjBSl'.V9!iJHS!]Si1J!S. приведен анализ состояния проблемы разработки и внедрения параметрических методов диагностирования ГТД, -обойно-вывается необходимость разработки ДХМ.
Дается классификация основных видов диагностирования, приыоня-ешх к авиационным ГТД с указанием типов дефектов, выявляемых каждым видом диагностирования. Определено место диагностирований по характеристикам модулой в проблеме оц-.-нки ТС ГТД о указанием основных дефектов, выявляемых о помощью ДХМ. Дается развернутое определение ДХМ.
Приводен анализ выполненных работ в области диагностики ГТД по газодинамическим параметрам. Изложено Саговое положение теории подобия течений (из теории ВРД ), лежащее в основе диагностирования по газодинамическим параметрам, включал ДХМ. Проанализированы основные достижения отечественных и зарубежных ученых по исследовании газодинамических процессов в ГТД и их элементах, по разработка методологических основ диагностики и поаьдаенш) аффективное-
" 7 *
ти параметрических методов, по рациональному их применению в системе эксплуатации. Отмечена исключительная роль доктора технических наук Алексеева Л.П., предложившего осуществлять прямое измерение характеристик модулей в эксплуатации, что и использовано при ДХМ. Указаны основные этапы развития диагностирования ГТД по газодинамическим параметрам, выделены отдельные проблемы, решение которых мохет Сыть более эффективным при использовании ДХМ.
В частности, отмечена проблема недостаточной адекватности описания математическими моделями процессов изменения ТС ГТД и его отдельных элементов. Это обусловлено невозможностью учета их индивидуальных особенностей, а также индивидуальных особенностей характера изменения их ТС. Так, в случае существенных отличий характеристик одноименных модулей ГТД в исходном состоянии и их различного изменения в процессе накопления повреждений, приводит к тому, что математические модели не позволяют отслеживать характеристики модулей в процессе эксплуатации.
Определено, что основная задача ДХМ - обеспечить прямое измерение и оценку изменения характеристик основных модулей ГТД в эксплуатации (на Сорту ВС). При атом решение общего вопроса получения адекватной математической модели ГТД и его элементов в данной работе не рассматривается.
Для определения прямым измерением в эксплуатации характеристик :модулей ГТД необходимо обеспечить работу ГТД в поле функциональных характеристик компрессора и. турбины. Для этого при ДХМ необходимо ,- вносить специальные внешние воздействия на совместную работу, турбины И компрессора,' а. также производить измерение расхода воздуха. Получение, функциональных характеристик : компрессора и . турбины позволяет производить диагностирование ГТД по характеристикам модулей, .что является теоретической основой данной работы. -.Учитывая первичность постановки проблемы,' численные исследования по-'обоснованию ДХМ 'проводятся, т примере одноконтурного одновального ГТД. Отмечается применимость.ДХМ к разным типам ГТД на основе анализа особенностей;. применения диагностирования к одноконтурному'одновальному ГТД. В дальнейпих исследованиях целесооб-Тазно распространять' методологию на другие типы ГТД, ' . -.' '
Во втором разделе изложена методология диагностирования ГТД по
характеристикам модулей. :
Теоретическое обоснование проведения диагностирования по харанперистжш модулей.
Объектом исследований являются напорные, характеристики коми-
рессора вида Як»Г(Вепр) для различных постоянных значений Пкпр и
ветки расходных характеристик турбины вида Grnp»f (*-.t) для различ
ных постоянных значений ПтПр ( см. рис.1), где: ' ' ' :
к - степень повышения давления в компрессоре ;
GBnp - расход воздуха, приведенный к стандартным атмосферным
условиям (САУ) ;. --"'''-'-"'.--'''-.,'.'
ПкПр - чаотота вращения компрессора, приведенная к САУ;
(Згпр - приведенный расход газов; . ".'_."
Кг - степень понижения давления в турбине;. ' .,
Птпр - приведенная частота вращения турбины . . " .
Испытания двигателя без клких-либо .внешних воздействий, на
совместную работу турбины и компрессора не позволяют в эксплуата
ции получить указанные характеристики компрессора и турбины , так
как в двигателе турбина и компрессор, связанные одним взлом и од
ним расходом воздуха, работают только по линии совместной'работы.
Основная задача испытаний по ДХМ заключается в осуществлении
внешних воздействий ', изменяющих положение линии совместной рабо
ты компрессора и турбины. При различных степенях внешнего воз- ._.
действия, линия совместной работы смешается и пересекает напорные , .
ветки характеристик компрессора и расходные : ветки . характеристик :
турбины в различных точках (см.- рис.1). Это позволяет на основа
нии испытаний с различными степенями внешнего воздействия опреде-. ,
лять положение напорных веток компрессора и турбиныдт.е, опреде- -
лять характеристики соответствующих модулей. При этом в процессе
испытаний необходимо измерять расход воздуха. ' .-.'';."
На рис.1 представлено изменение положения линии . совместной
работы с исходного положения РЛо до РЛі к РЛг (при более высокой
степени рассогласования), :;что позволяет в определенном диапазоне
получить ветки Пкч напорной характеристики компрессора и ветки
'Птт~раоходной характеристики турбины. ' . .
. - 9 -Получение характеристик
компрессора
Пч Пт»
турбины
-я;
Рис. і
Из теории ВРД и теории лопаточных машин известно уравнение совместной работы турбины и компрессора в одновальном одноконтурном ГТД:
GBnp - Const:
я* "к
(i к - 1J
(1)
тік - адиабатический к. п.д. компрессора; к -показатель адиабаты; .-,-.". \ Const:- постоянный*коэффициент. ./ Это уравнение получено'при.условии пропорциональности расхода воздуха через компрессор и расхода газа через турбину, равенства мощности,. развиваемой турбиной, и"поглощаемой компрессором, и пропорциональности удельной . работы турбины величине температуры газов перед турбиной (Тг). Последнее обусловлено допущением о постоянстве Ttj. Возможны два пути рассогласования турбины и компрессора: .'- механический и газодинамический.
.'Механическое рассогласование модет быть достигнуто подведением к валу, соединяющему турбину с компрессором, механической работы от . внешнего , источника модности или отбором мощности от этого вал'а^ Введем, коэффициент An,, показывающий, какую долю составляет отбор (или подвод) мощности'от работы компрессора. Тогда:
r-^'v'^i";.'' '-'Л' '?: f' Нк;(1\ ±Ац)>у:Nr/-»'-';'/ ; :-: -.'-' (2) " '-; " где NK и ' Кт' 'соответственно' мощности компрессора и турбины.
Газодинамическое рассогласование может Сыть достигнуто под- -водом или отводом рабочего тела в каком- либо сечении тракта между компрессором и турбиной. Введем коэффициент Сс, показывающий какую долю от расхода воздуха составляет дополнительный подвод или отвод воздуха. Тогда уравнение нераарывнооти будет иметь вид: .
0в (1 і Сс) - Вг Constg ...;.." : (3) ,
Газодинамическое рассогласование может быть также достигнуто путем дросселирования сопла двигателя или входного сечения ' компрессора. В оСоих случаях дросселирования при сохранении степени повышения давления в компрессоре уменьшается перепад давления на. турбине, когда располагаемый перепад становится меньше критического на ступенях турбины. Введем коэффициент Вдр, характеризующий окижение удельной работы турбины LT за счет,уменьшения %: . . .' v "
LT- I? Вдр СогЫз ;' .'''"..'' :;v;.(4) ";
С учетом введенных коэффициентов воздействий Ан, Са и Вдр оог-,
лаоно соотношений (2),. (3) и (4), уравнение .совместной работы (1)
после преобразований приобретет вид: '. ;. .--'"
2 Як Лк Вдр
. GBnD - Const4 — : ' —-'-.. .(5) ' ;
..''"; («к ^Г- і)(1ІАц)(1±Сс) V' Уравнение (5)- общий вид уравнения влияний внешних воадайо-; твий на положение линии совыэотной работы турбины и'компрессора. Рассмотрим возможность изменения положения линии'совместной рабо-. . ты на характеристике компрессора т.е. на зависимость я* » f(QBnt>). При атом приемлемыми воздействиями для проведения рассогласования в эксплуатации можно считать воздействия, на .связанные с подводом энергии извне. Таковыми могут быть: -. ,. ...
- отвод механической мощности от вала, соединяющего турбину с" -компрессором через предусмотренный конструкцией вал, например,';на -гидротормоз. В этом случае согласно (2) величина А» положительна, а значение (1±Ац) > 1, Тогда для одного и того же значения я& величина Бвпю при рассогласовании уменьшится , т.е. линия оовмест--ией- работы на характеристике компрессора поднимется, в сторону—
границы устойчивой работы;
отвод части расхода воздуха иа-эа компрессора (через специально предусмотренное конструкцией двигателя устройство. П этом случае согласно (3) величина Сд отрицательна, а значений (liCs)
установка дросселирующего устройства на вход в ГТД или а сопло приведет к снижению степени понижения давления в турбине ІЇ уменьшению удельной работы. Поэтому из соотношения (4) Вд? < 1. Тогда для одного и того же значения л(* величина ЕаПв при рассогласовании уменьшится, т.е. линия совместной работы на характеристике компрессора поднимется в сторону границы устойчивой работы.
Таким образом, согласно проведенной качественной оцеико тлеется ЕОо«о.Аность игмен?ний пояснения линии совместней работы на характеристике компрессора как в сторону границы устойчивой работы, так и в сторону границы запирания.
Уаъройспш для реаташщи ДО/. Необходимым набором устройств для реализации ДХМ являются устройство для измерения расхода воздуха и устройство для внешнего воздействия на совместную работу турбины и компрессора. При этом устройство измерения расхода воздуха - это всегда внешнее устройство, так как оно не предусмотрено конструкцией ГТД, а устройство "рассогласования"-, (внешнего воздействия) может быть как чисто внутридвигагельным (например, клапаны перепуска воздуха), так и смешанного типа (например," ревероивное устройство в совокупности о устройством перекрытия обратного истечения газов), или чисто внешним'(напримері дросселирующее устройство).
Есе классы ГТД, , кроме турбовинтовых и винго-вентилляторнда двигателей,' конструктивна позеолявт подсоединять на вход внешние устройства для дросселирования и 'измерения расхода воздуха. У турбовинтовых, двигателей малое расстояние мекду вращающимся винтом и входным устройством двигателя не позволяет без демонтажа винта (еинтз-вентилятора)" устанавливать внесшие устройства . Кро-
\ ыэ того, после демонтажа винта необходимо подсоединять устройство, воспринимающее крутящий момент.
Для вертолетных ГТД наиболее приемлема уотановка внешних устройств нз вход в двигатель о креплением на элементы конструкции. Для ГТД больших самолетов наиболее приемлемо использование передвижных установок, на шасси которых устанавливаются внешние устройства.
Для практической реализации внешних воздействий наряду с внешними уотройотвами целесообразно использовать тлеющиеся конструктивные элементы силовой установки (СУ), такие как элементы механизации компрессора /перепуск воздуха, регулируемые лопатки направляющих аппаратов (НА) компрессора/,' устройства реверса тяги, свободная турбина в турбовальных ГТД. Для вертолетных ГТД дросселирование на выходе Ио газогенератора двигателя может ооущесі".. вляться путем дополнительной загрузки свободной турбины крутящим . моментом (от несущего винта) .
Для последующего внедрения ДХМ представляют интерес специальные дросселирующие устройства, не требующие доработок конструкции двигателей и ВС и позволяющие выполнять рассогласование любой. . требуемой степени. Особенно много преимуществ имеет дросселирова- -ние на входе в двигатель.; При этом воледотвие снижения уровня давления по тракту ГТД: , ,
-уменьшаются "газодинамические нагрузки на детали газовоз-душного тракта (ГВТ), вследствие снижения расхода воздуха;
- уменьшается расход топлива, а, следовательно,. повышается
экономичность проведения испытаний;"
-' снижается тепловая нагруженность деталей проточной части еа очет уменьшения коэффициента теплоотдачи от горячих газов в тело деталей, который пропорционален давлению;
- снижается уровень'шумз. '"
Кроме того, устройство.дросселирования, уотановленное на вход
в двигатель, не подвергается тепловому воздействию горячих газов,
что позволяет использовать широкій ассортимент материалов для из
готовления этого устройства. -'
1 ' ' .
Анализ возможных принципиальных схвн дроссєяірущих уапройта.
Сформулированы основные требования к дросселирующим уотроио-гвам. Проведен анализ четырех различных схем дросселирующих устройств о учетом результатов проектных и исследовательских работ, проведенных автором в ГооНИИ ГА. В результате анализа рекомендованы схемы дросселирующих устройств как для проведения экспериментальных исследований, так и для использования в эксплуатации. Общиз особенности работ ГГД при разрежятт та входа.
Проанализированы усилия взаимодействия ГТД и дросселирующего устройства, а также возможные изменения осевых нагрузок на ротор при различных конструктивных схемах опор роторов. Проанализирована особенность работы маслосистеш и САР двигателя в условиях разрежения. Для обеспечения нормальной работы систем ГТД автором предложено использование специального технологического бачка "раяоміения" для подсоединения к нему магистралей суфлирования масляных полостей и датчиков давления САР.
Методика рясчепа иамеяепия параметров работ ГТД при просселіроватт па входе з двигатель.
Чем больше степень дросселирования, тем больший диапазон характеристик компрессора и турбины могут быть получены. С ростом степени дросселирования ' входного канала ГТД раотет и изменение параметров-двигателя. Ограничения, накладываемые техническими условиями на ряд параметров, приводят также к ограничениям на диапазон получения характеристик компрессора и турбины.
Для оценки, допустимых, диапазонов получения характеристик компрессора и турбины при испытаниях.о дросселированием входного канала ГТД автором разработана методика расчета изменения параметров двигателя при дросселировании. В число параметров входят: " температура газов (перед турбиной), расход топлива и осевая сила, f действующая'на ротор и статор газогенератора ГГД. Методика позволяет "на". основании.. известных.,характеристик компрессора получить ::: для заданной степени дросселирования изменение положения линии . совместной работы (линии рабочих режимов) и изменения перечислен-—них-'ЕЫше:параметров.-- '-;'.'" .--', Л ".'."> _. . ;..' '.'";'.'
Общие закономерности изменения параметров работ ГГД с раалишшш параметрами цикла при дросссліровавш.
Для оцэнки величин степени дросселирования и степени понижения давления, нєобходіших для резччзации ДХМ при дросселировании на входе в ГГД Сил выполнен расчет по разработанной методике.
При расчете принято, что потребное изменение положения линии совместной работы соответствует снижению запасов устойчивой рабо-ты компрессора на 20 7.. В результате расчетов получено:
потребное уменьшение площади проходного сечения для дросселирования составляет от 10Z для двигателей с трансзвуковыми первыми ступенями компрессора до 80* для двигателей с существенно дозвуковыми первыми ступенями компрессора ;
дополнительная осевая нагрузка на ротор составляет от 10 до 30 7. от нагрузки на исходном рехиме (без дросселирования) в зависимости от соотношения расчетной степени повышения давления и температуры і азов;
падение отепени понижения давления на турбине при дросселировании составляет приблизительно 30 % от исходного значения;
В третьем раздело изложены способы измерений, методы проведения испытаний по ДХМ и методы обработки и анализа результатов диагностирования.
Обоснование способа измерения расхода -воздуха на входе в цвигапллъ.
Вследствие Первичности постановки задачи измерения расхода воздуха в эксплуатации проанализированы существующие способы измерения расхода воздуха при стендовых испытаниях, еьіяелєньі их недостатки для использования в эксплуатации на борту ВС. Предложено использование принципиального нового устройства для измерения расхода воздуха на борту ВС, основанного на измерении скоростного
напора (силы, действующей на помещенное в поток тело ). Измерение
силы в сравнении с измерением давления имеет следующие преимущества:
более точная и простая тарировка аппаратуры;
возможность сложения сил путем соединения силопрпемных ""^элементов в один конструктивный узел.
Возможность сложения сил позволяет создавать различные конструкции устройств для определенил интегральных значении силы действующей на оилоприемнке элементы в потоке и тем самим осуществлять механическое осреднение, Мехаї/кческое осреднение обеспечивает малые значения дисперсии результатов намерений (т.е. приближает их к детерминированным).
Рассмотрим связь силового воздействия с расходом воздуха.
Известный вид уравнения расхода воздуха:
Ри e»xU») qtt»)
В„ - Сі , (в)
где Ci« m FB- Const.
Ва - расход воздуха ;
m -. коэффициент, определяемый свойствами рабочего тела (газовой постоянной и показателем адиабаты воздуха); 0Ч'АВ) - функция плотности гока на входе в ГТД ; \ъ - относительная скорость (коэффициент скорости); FD - площадь поперечного сечения канала на входе в двигатель; Рн - атмосферное давление воздуха; - бих(Хв) - коэффициент потерь полного давления во входном устройстве; Тн - температура атмосферного воздуха.
На неподвижное тело, помещенное в поток воздуха, со стороны воздуха действует сила N :
Р VB2
N - СхОв) S , (7)
где Сх(Хв) - аэродинамический коэффициент лобового сопротивления, обычно определяемый экспериментально в зависимости от \Bi S - плоідадь поперечного сечения тела в потоке, р - плотность обтекающего тело воздуха, VB- скорость воздуха, набегающего на тело, Выразив плотность воздуха через уравнение состояния газа :
Р - — . (8)
Р. Т
где Р - СТР.ТІГЧ90КОЄ давление воздуха,
- IB -
Т. - температура воздуха в потоке* R - газовая постоянная (воздуха)» определив величину Р через газодинамическую функцию к(\в)і
Р - Рн К(*в> . (9)
вычислив значение скорости VB по выражения.-
V» - Ц» «ав . (10)
.де Мп - число Маха,
Дав' скорость звука, и представив величину скороота эвука в видеї
asa- V кет , (11)
где к - показатель адиабаты, преобразуем уравнение (7) о учетом выражений (8)-(11) и получки:
Рн Л(Л0) к Ы&г
N - СХ(ХВ) S . (22>
2 ..„'.
Сорьгула (12) показывает, что сила N полностью определяется ЕЭ-личиной Ха при известной аэродинамической тарировке Сх(Ха) . площади поперечного сечения сидоприемных элементов S и давления р. Формула (12) позволяет проводить и определение Ха по известному значению. N. Известное значение Аа определяет; согласно формуле (С) расход воздуха, что и требуется, при ДХМ..
Описанный способ получения расхода воздуха осноааа на том,, что заранее (до измерения) известна аэродинамическая тарировка устройства СХ(ХВ) и характеристика входного устройства бвх*»К
Для подготовки устройства к измерение может применяться также и его расходная тарировка, заключающаяся в оледувдем. Из формулы (12) следует, что для изготовленного устройства (S-Const) отношение силы N к давлению р'является 'однозначной функцией Ав: .
-V-^i(W —';:.-'- ^rr^V7-.;-. "(13). Ч-
ри -: - ,,-.-./^: ,-. : ,'.- ;"\'-"";,;,'" :
Из уравнения (6) непосредственно следует, что
- /тГ.
fsiai):r-;:-;-;''-":*..''.(«)
Рн . --где f2(X») - Сі бвх(>>в) q(^a).
Таким образом, fi(*a) и fa(Xe) - однозначные функции одного аргумента Лв, а вначит между этими функциями существует однозначная функциональная зависимость f3» т.е. ?г(*э) - ГзСЧ(*в)Э или :
ЬЛГ Гз(А) .
Ри Ч Рн
Установление зависимости (15) и является расходной тариро-вочной характериотикой. Получив экспериментально эту тарировочнуи зависимость, можно определять расход воздуха по формуле, которая непосредственно оледует из формулы (15).
В работе дается сравнительный анализ использования аэродинамической и расходной тарировок. Анализируются возможные виды тарн-ровочных,характеристик, вводится понятие идеальной тарировочной аэродинамической характеристики:
С2 " "
, Сх , (16)
при этом формула определения расхода воздуха, принимает бид:
где Сг и Сэ - коноганты.
Дополнительные методы и средства определения характеристик «одулей ГІД.
Перечисленный ранее набор уотройств позволяет определять основные характеристики компрессора и турбины (напорные и расходные). Однако для определения других характеристик модулей перечисленных устройств недостаточно. Как показывает практика, важными дополнительными средствами определения характеристик модулей могут служить устройства для определения запасов газодинамической устойчивости компрессора и устойчивости горения камеры сгорания к попаданию концентрированных порций воды на вход в ГТД. Иеподя проведения испытаний по получения характеристик но дулей.
При испытаниях- двигателя о рассогласованием турбины и компрессора при ДХМ имеется два изменяемых фактора,. обеспечивающих
определение характеристик компрессора и турбины. Это - отепень рассогласования и расход топлива . Таким образом, в зависимости от последовательности управления этими факторами модно предложить два метода получения характеристик модулей.
Первый метод заключается в ступенчатом изменении отепени рассогласования о соответствующим изменением расхода топлива на каждом режиме так, чтобы приведенная частота вращения компрессора оставалась постоянной, т.е. снятие характеристик компрессора ведется непосредственно по их напорным веткам.
Второй метод основан на том, что при неизменной степени рассогласования определяется положение линия совместной работы турбины и компрессора на характеристике компрессора. При испытании производится измерение параметров вдоль линии созмеотнои работы компрессора и турбины, т.е. отроятся дроссельные характеристики (характеристики по режимам) при разнчх степенях рассогласования.
Второй метод более технологичен, так как требует меньшее число изменении степени рассогласования и не требует точной установки режима работы, определяемого постоянной частотой вращения. Следовательно, второй метод требует меньше времени для своего выполнения. Поэтому он использован в экспериментальной проверке.
Причини и задачи учета влгятш влаяшоеки на хпрштерчспиті ГТД и его модулей.
Диагностические сигналы - предельные изменения параметров, характеризующие изменения характеристик в результате повреждения модулей, соизмеримы с изменением,параметров в результате измене- . ния влажности воздуха при неизменном ТС модулей. Это обуславливает потребность учета влияния влажности. Два фактора определяют влияние влажности: изменение физических"'свойств воздуха о измене-' нием - Елагосодержания - и тепловое воздействие фазовых превращений воды. Оба фактора максимально проявляются'.в стартовых условиях работы двигателя (на земле, при нулевой скорости), у что соответствует условиям проведения испытании по ДХМ.. _:"._'
Учет влияния фазогых превращений на изменения критериальных
параметров характеристики компрессора разработан,недостаточно. В
"частности, в настоящее время отсутствуют методы-учета влияния"йс^7
парения сконденсированной воды в проточной части двигателя ( компрессоре или камере сгорания). Особенно актуальной задачей является учет фазовых превращений при дросселировании на входе в двигатель, так как дросселирование интенолфнцнрует процесо конденсации водяных паров. В связи о этим автором Сил разработан метод учета влияния влажности на изменение критериальных параметров характеристики компрессора, который может использоваться как при использовании дросселирования на входе в ГТД, так и Оез него. Мояюд оценим млипіил влажпоспи волд/ха.
Разработанный метод учета влияния влажности на напорную характеристику компрессора, учитывает как изменение физических свойств воздуха при изменении влагосодержания, так и влияние фазовых превращений воды ( конденсацию в воздухозаборнике и испарение в ГВТ). На рис.2 изображен характер изменения температуры воздуха по тракту компрессора без фазовых превращений (сплошная линия) и о фаьиаыми превращениями (пунктирная линия).
При учете.влагооодержания подобие течения в компрессоре практически сохраняется, При фазовых превращениях оно нарушается (см. рис.2). При этом задачей учета влияния влажности является определение той единственной температуры воздуха (T« + дТки), которая в наибольшей'отепени соответствует, ее, ореднему уровню по тракту компрессора. Следовательно задачей метода учета влияния фазовых превращений на напорную характеристику коипресоора является определение йТкд и использование для приведения, частоты вращения и раохода воздуха температуры (Tr + дти) вместо фактической температуры воздуха т5. В качестве базового условия сравнения параметров двигателя, работающего на влажном и оухом воздухе выбрана неизменная степень повышения давления в компрессоре Як-
Основные этапы метода определения влияния влажности:
-
Определение абсолютной влажности воздуха в зависимости от температуры, давления и относительной влажности воздуха.
-
Определение отношения газовой постоянной влажного воздуха к газовой постоянной сухого воздуха R в зависимости от абсолютной влажности.
Характер изменения температуры влажного воздуха по тракту
с фазовыми
превращениями
компрессора при фазовых превращениях воды. 1"Ч
Рис. 2.
. 3. Определение того, возникают или нет фазовые превращения воды, т.е. равна или не равна нулю величина ЛТкд в зависимости от относительной влажности, температуры воздуха и относительной скорости *а на входе в двигатель, определяемой режимом работы ГТД.
'. 4. Определение увеличения температуры воздуха на входе в комп-реосор дтд при конденсации в зависимости от температуры, давления и 'влажности воздуха, а также относительной скорости Лв на входе"в двигатель, определяемой режимом работы ГТД.
Б. Расчет степени повьшения давления ЯкФ , при которой происходит испарение воды в компрессоре в зависимости от температуры атмосферного воздуха.
6. Определение того, происходит иди нет испарение воды в трак
те компрессора (меньше ли л^, ,' чем я или больше ) в зависимости
от 'те^сратуры атмосферного воздуха и отепени повьшения давления
;в компрессоре. 'TV." г ' - '
7. Определение уменьшения температуры воздуха в компрессоре
при испарении воды ДТ« и увеличения температуры воздуха за комп
рессором дТк в зависимости от л и яф . ,
: 8, Определение прироста температуры атмосферного воздуха дтф, . характеризующего при сохранении подобия течений температуру воздуха в последних NH<» отупенях компрессора . .'
' 9, Определение результирующего увеличения температуры воздуха на входе в двигатель ДТки, в зависимости-от вклада числа первых ступеней компрессора Мкд, характеризуемых повышением в них температуры на дтд , и вклада числа последних ступеней компрессора Мл, . характеризуемых повышением в них температуры на дтф (см, рис 2). Графически это соответствует равенству заштрихованных площадей на рио.2. Соотношение числа ступеней І^д и NH« в принятом предположении об одинаковости степени повышения давления в каждой ступени определяется соотношением логарифмов степеней повышения давления в них. Требуемое соотношение степеней повышения давления определено в п.б, поэтому необходимость в знании факти-,ческого числа ступеней компрессора отсутствует.
- гг
10. Расчет критериальных параметров напорной характеристики компрессора с учетом влияния влажности:
приведенной частоты вращения ПкПр (18)
/R (tS+ЛТки)
' Bs /К (Тя+АТя> .' ;
и приведенного расхода воздуха (ЗвПр —;—; (19)
В чотшртом раздело излагается основные принципы и результаты экспериментальных исследований ГТД по характеристикам юдулей. Цамь и задачи шсслеримеятальних исследований.
Целью проведения экспериментальных исследований являлось получение характеристик модулей ГТД о разной степенью износа проточной части в условиях дксплуатации и подтверждение теоретических положений ДХМ. При этом ставились практические задачи.
-
Создание и экспериментальная проверка устройства для измерения расхода воздуха, включающие анализ возможных принцигшадь- -ных схем и выбор наиболее удовлетворяющей принятым условиям, разработку конструкции устройства, его изготовление, тарировку, а также проверку эффективности устройотва в процессе эксперимента.
-
Проверка возможности использования переменной загрузки своОодкой турбины крутящим моментом в качестве, устройства' для воздействия на согласованную работу турбины компрессора и компрессора. -".'....
-
Создание и проверка эффективности уотройства для измерения запаса устойчивости горения при впрыске, воды.. .
4..Подтверждение эффективности устройства "измерения ' запаса
газодинамической устойчивости.' : ; .'- -, ;,:.',-''
6, Проведение экспериментальных исследований.ГТД, предусмот
ренных ДХМ в различных атмосферных условиях при различной степени
износа деталей ГВТ.и получение характеристик компрессора о * раз
личной степенью износа. , .'-; ,"-У\ ''".' . ''."'.<": „"'";..
6. Подтверждение' возможности определения ТС модуля компрессора, правильности разработанного метода проведения испытаний и ' способа анализа полученных результатов. * :;, -::'..' '\,{-- ."''.',' -
ЙиаЭма гюіїнаятШ пришщпилльвих схем усщзиіїтя яля намерения расхода жидухл .
Яз основании изложенных в 3'раздел» работу основных принципов измерения расхода воздуха (си.стр.14), в четвертом разделе проводится сравнительный злллиэ вариантов конструктивного исполнения оилопрік'мнцх элементов. При зтом рассматриваются по три варианта силоириемних элементов в мидельном и три варианта в поперечном сечениях, а также конструктив»;» сочетания этих вариантов. В результате анализа уотановлуїш дио наиболее целесообразных схем расходомера.
Первая схема характеризуется тем,. что силоприемние элементы представляют из соОя решетку тонких профилей (набора пластин), охватиъзюадх вою проточную часть о равномерной густотой. При. атом величина Сх - меняется крайне мало, что обеспечивает точность мо-ханичрского осреднения в большом диап.-зонэ режимов р.чйоты двигателя. Подробное описание г^дходомера по такой схеме дается в рукописи диссертации и в авторском свидетельстве [23.
Вторая схема расходомера характерна тем, что ошшриемиые алименты имеют профиль постоянного сечения вдоль радиуса. Силслриеы-ные элементы, расположенные равномерно по окружности, установлены шаркирно нз оси, пересекающей ось воздушного канала под прямым углом. Это позволяет одинаковым усилиям, на различных радиусах склопрйемного элемента создавать крутящие моменты:, пропорциональные радиусу 'приложения силы, а поскольку площадь поперечного сечения канала, приходящаяся на единицу длины силоприемного элемента, также пропорциональна радиусу этого элемента, то данная конструкция обеспечивает строгое механическое осреднение радиальной неравномерности. При равномерном расположении силоприемкых элементов в окружном направлении обеспечивается такие осреднение и окружной неравномерности, что в полной мера отвечает механической детерминизации процессов осреднения. Подробное описание расходомера по данной схеме приводится в авторском свидетельстве Ш. Расходомер второй схемы был использован при проведении экспериментальных исследований.
Обгат. акспсриыситяъшх исслодоъалмй - турбовалышй ГТД типа ТВ2-117, входяшяй в силовую установку вертолета Ми-8.
Экспериментальные устройства изыреоия расхода воздуха прохо
дили расходную тарировку на ремонтном ваводе 404ГА в Екатеринбур
ге. При испытаниях также использовались устройства для определе
ние запасов газодинамической устойчивости и определения валасов
устойчивой работы камеры,сгорания к ьпрыску воды. В качестве уст
ройства для рассогласования использовалась дополнительная загруз
ка свободной турбины крутящим моментом при увеличении шага несу
щего винта вертолета. ^
Программа исследований предусматривала проведение испытаний двигателей по ДХМ с использованием экспериментальных устройств в различных атмосферных условиях с различными степенями ианоса проточной части двигателя. Изменение степени износа проточной части »;рсиоводшюсь путе-і подач» песка на вход работающего двигателя.
Результаты вісспсринситальних исследований по определении ха-ранториетт компрессор до н после износа его проточной части и представлены на рис. 3.
Б.0
Б.Б
eS . 7Л 7.5
Gb
np
Дата и условия испытаний
+ 25.01.89 (до износа tS- -10С)
19.04.89 (до износа Ьц- 5 с1
25.04.89 (после износа tH-+llC)
Положение напорных ветвей - ' компрессора ' .
"—— (до износа)
(после износа) ' -
Рис. 3
Из рио.З следует, что в результате износа проточной части компрессора напорные ветви смещаются в сторону меньших расходов воздуха и меньших значений отепени повышения давления. На высоких значениях частоты вращения компрессора 901 и G57. указанное смещение больше. Таким обр&го'і, при испытаниях ГТД из борту впервш получены характеристики компрессора, что необходимо для ДХМ.
В пятом раадоло представлена оценка влияние внедрения диагностирования по характеристикам модулей на повышение показателей надежности, определяющих экономическую целесообразность применения. Выбор иошода оценки 'аффенттюат ваерроиип ДХЦ.
Целесообразность внедрения ДХМ определяется оценкой эффекта в эксплуатации от более достоверного определения кеиспрааностеи деталей ГВТ (повышения качества диагностирования) и от возможности локализовать неисправность при диагностировании до одного модуля. Эффект внедрения ДХМ определяется реализацией в численном или'стоимостном выражении следующих событий одновременно:
- уменязение числа отказавших двигателей в эксплуатации;
.- уменьшение числа исправных двигателей, необоснован? снятых о эксплуатации-,
увеличение числа двигателей отработавших ресурс;
замена модулей вместо замены двигателей. При этом необходимо учитывать такие события как:
изменение числа досрочно снимаемых двигателей (ДСД);
увеличение затрат на проведение диагностирования.
Все перечисленные события (показатели) являются зависимыми между собой. Отдельная оценка каждого события приведет к накоплению погрешности оуммзрной оценки этих событий и к погрешности в прогнозе эффекта"от внедрения ДХМ. Поэтому автором была разработана обобщающая указанные события математическая модель, позволявшая рассчитывать количественно изменение каждого показателя. Модель аценни качества диагпоспировавия. Основные факторы, определяющие показатели надежности ГТД, это - качество двигателя к качество (безошибочность) его диагнос-"ткрования. Это независимые факторы, так как изменение качества
ГТД может наиенчгг показатели надежности без изменения качества диагностирования, так и изменение качества диагностирована беа ирмонеиия качества ГТД.может изменить показатели надежности. Тагам образом, задача модели;,
определить показатель (численную характеристику.) качества, двигателя и покагат^ль качества диагностирования двигателя;
связать математически показатели качества двигателя и.качества его диагностирования о показателями окоплуатационной на-, дешнооти двумя уравнениями (по числу неизвестных показателей).
Условно разделим асе ГТД одного типа, находящиеся в, эксплуатации на испраьние и неисправные.. Под исправными двигателями,, в*. рассматриваемой подоги Оуд:?м понимать те двигатели, которые», щ± о~у."у;"т в тече-нн? и-г-хремонтного-реоуреа, если их ошибочно досрочт, «о ї.І снять с зкегиуагхцин. Под ноисправнши здесь будем понимать, те двигатели, которые обязательно откажут в процессе межремонтной эксплуатации, если их и? снять с эксплуатации доорочда. Сїютнош- ниа между исправник и неисправными ГТД примем ва характеристику качества ГГД. Пусть коэффициент Кэ равен отношении ко-личеотва исправных двигателей к числу всех ГТД данного типа, находящихся в эксплуатации. Тогда, если Ида г " число двигателей, .одного типа, находящихся в. эксплуатации в течение межремонтного ресурса, то число исправных двигателей 1К3мдяг1, а количество неисправных дьигателей t(Ka-l)NfisrD.
Введем Кл - коэффициент правильности принятия решения по результатам диагностирования, равный отношении количества правильных решений к общему количеству решений при диагностировании неисправных двигателей. Тогда ЕКд(1-Кэ)МдаГТ двигателей Судет обоо-нсганно снято с эксплуатации, а (1-Кд) (1-Кь)Нд«цО ~ откажут, так как они необосновано оставлены в эксплуатации. Диагностируя исп-раание двигатели , определяются выявленные исправные и ложно забракованные двигатели в пропорции, также отвечающей качеству, диагностирования. Таким образом, качество дкагностігрования должно оцениваться двумя показателями. Однако эти показатели гависимы, так как очевидно, что совершенствование методов диагностирования приводит к одновременному уменьшению количества пропущенных неис-
правных двигателей и уменьшению ждага забракованных испраяних двигателей. Введем коэффициент Кди, показывапций во сколько раз вероятность диагностической ошибки при диагностировании исправных двигателей тисе, чем при диагностировании неисправных дьигагелей. Таким образок, доля необосновшо снятых исправных двигателей равна (1-Кд)/Кди , а их фактическое количество: СК5»даг(1-Кл)/КДи].
Пропущенные диагностированием неисправные двигатели являются фактически отказавшими двигателями, число которых по статистическим данным Norк- Выявленные диагностированием неисправные и лахно забракованные исправные двигатели составляют общее число ДСД , число которых по отатистическим данным ИДСд. Эти условия позволяют составить систему уравнений:
f «отк * НЯаг'(1-Кл)(1-Кэ>
.- слО)
[ Идсд - МдагСКд(1-К8-Кв/Кди)^/КяиЗ
Три неизвестные величины К-», Кд и Кди а системе (20) делают ее исходно неопределенной. Однако на основании анализа изменения Ка и Кд в зависимости от различных значений Кди, величина Кдн может быть принята равной б, так как при меньших значениях Кди для эксплуатирующихся в ГА типов ГТД система не имеет действительных решений, а при увеличении Солее 6 значения Кэ и Кд меняются незначительно (в пределах ЭХ). Принимая Кди - 6, система (20) становится определенной и составляет основу математической модели.
Способ oupuw аффаюиаиост внедрения ДХМ.
При оценке эффективности ДХМ учитывалось, что разработанная модель .в отношен ДХМ должна учитывать в показателях N0tk к Идея только те дефекты, которые могуг быть определены методами параметрической диагностики (дефекты ГВТ). При расчете эффективности использования ДХМ увеличение Кд в 2.25 раза принята экспертко. Кроме* того, на основании практического опыта принято, что замена модулей модет составляет 60 от чиола возможных замен. Как показывают расчеты, экономический эффект, связанный о внедрением ДХМ, при эксплуатации 100 двигателей за год может' достигать стоимости 10-ти новых двигателей того же типа.