Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обобщение опыта эксплуатации авиационных ГТД на современном этапе .
1.1. Влияние эксплуатационных факторов на надежность работы авиационных ГТД 14
1.2. Состояние проблемы повреждений авиационных ГТД посторонними предметами 24
1.3. Постановка задачи обеспечения работоспособности ГТД при повреждении проточной части посторонними предметами 36
Выводило главе 1. 46
Глава 2. Разработка технологии оптико-визуального контроля проточной части ГТД
2.1. Возможности оптико — визуальных средств контроля проточной части АД 47
2.2. Выбор и применение средств оптико-визуального обнаружения повреждений на проточной части ПС-90А.
2.3. Технологии обнаружения, измерения и зачистки повреждений на ПС-90А .87
2.4.Документация результатов эндоскопического осмотра двигателя ПС-90А 104
Выводы по главе 2 109
Глава 3. Разработка методики механизированной зачистки повреждений проточной части ГТД при ТОиР
3.1.Экспериментальное оборудование и приемы зачистки 110
3.2. Технология механизированной зачистки повреждений рабочих лопаток компрессора ВД двигателя ПС-90А 116
3.3. Результаты проведенной работы по зачистки лопаток 120
3.4.Обоснование норм качества зачистки повреждений элементов проточной части ГТД 127
3.5.Технике-экономическое обоснование результатов исследований 135
Выводы по главе 3 143
Глава 4. Рекомендации по контролю качества мест зачистки элементов проточной части ГТД
4.1.Формирование решений но степени опасности и возможности зачистки повреждений 144
4.2. Применение вихретокового метода контроля качества мест зачистки 156
4.3. Технология и оборудование контроля качества зачистки повреждений 161
4.4. Рекомендации по периодичности и объему контроля восстановленных лопаток турбо компрессоров при ТОиР ГТД 168
Выводы по главе 4 172
Заключение 173
Список использованной литературы 174
Приложения .180
- Состояние проблемы повреждений авиационных ГТД посторонними предметами
- Технологии обнаружения, измерения и зачистки повреждений на ПС-90А
- Технология механизированной зачистки повреждений рабочих лопаток компрессора ВД двигателя ПС-90А
- Рекомендации по периодичности и объему контроля восстановленных лопаток турбо компрессоров при ТОиР ГТД
Введение к работе
Проблема повышения эффективности использования самолетного парка в гражданской авиации (ГА) чрезвычайно актуальна для государственных и коммерческих организаций (авиакомпаний), осуществляющих перевозки пассажиров и грузов в условиях жесткой конкуренции. Здесь немалую роль играют вопросы обеспечения безотказной работы всей авиационной техники (AT) и, в частности, авиационных двигателей (АД).
Известно, что к АД предъявляются наиболее жесткие требования в части сохранения показателей безотказности, поэтому в целом ряде случаев АД не отрабатывают положенных ресурсов по разным причинам. Среди таких причин наиболее частыми являются механические повреждения на элементах проточной части (ПЧ) газотурбинных двигателей (ГТД), вызванные попаданием («засасыванием») внутрь тракта посторонних предметов (ПП). Такого рода повреждения проявляются, как правило, при посадке (пробеге) или разбеге самолета перед взлетом. Бывают случаи повреждения проточной части конструктивными элементами самого ГТД в полете (деталями крепежа и контровки). Иногда это могут быть птицы, куски льда и пр.
На уязвимость ГТД ( употребляют и такой термин) ПП влияет целый ряд факторов. К основным из них относятся; компоновка двигателей на самолете (высота расположения ГТД над землей), расположение реверсивных устройств, степень двухконтурности, эффективность работы системы противообледенения, эксплуатационная технологичность ГТД и др.
Вообще говоря, существуют две группы мер по защите ГТД от попадания ПП - активные и пассивные. К активным относятся конструктивные решения в виде постановки защитных устройств (решеток) на вход в ГТД, специальным образом спрофилированные коки, отбрасывающие ПП за пределы входного устройства, расположение реверсивного устройства (РУ) под некоторым углом к вертикали (в этом случае выходящие из РУ газы создают эффект «восходящего вихря» не перед входным устройством ГТД, а несколько в стороне).
К пассивным мерам относятся: специальные сборники -«карманы» в ПЧ двигателя, возможность замены поврежденных элементов проточной части в эксплуатации» обрезка уголков лопаток с повреждениями, пересмотр норм на размеры допустимых механических повреждений лопаток, а также зачистка (удаление) забоин на лопатках специнструментом при ТО.
Опыт эксплуатации показывает, что, несмотря на принимаемые меры по предотвращению повреждений ГТД ПП, доля досрочно снимаемых «с крыла» по этой причине двигателей весьма велика и достигает в отдельные годы 35 -40% [28].
В зависимости от влияния на работоспособность ГТД, все ПП попадающие в проточную часть также условно подразделяют на две категории. К первой относятся предметы, вызывающие т.н. локализованную неисправность без разрушения корпуса двигателя. Это может быть обтирочная ветошь, контровочная проволока, куски протекторов авиашин, птицы небольшой массы. Намного опаснее нелокализоваиные отказы, вызванные попаданием крупных ПП (куски льда с воздухозаборников, градины, диаметром более 25 мм, птицы значительной (более 0,6 кг) массы и др.). При нелокализованном отказе обычно происходит разрушение корпуса двигателя с последующими непредсказуемыми последствиями.
Надо отметить, что такие отказы встречаются редко.
При локализованной неисправности ПП оставляют на лопатках проточной части механические повреждения в виде забоин, погнутостей, рнсок (царапин). При этом сам двигатель может вполне благополучно отработать полетный цикл, а в ряде случаев и межремонтный ресурс [24]. Опасность перечисленных повреждений заключается в возможности развития трещин механической усталости от мест их расположения и последующего разрушения лопаток, что может вызвать нелокализованный отказ ГТД.
В условиях эксплуатации комплекс мер по обеспечению ресурсоспособности АД, поврежденных ПП, весьма ограничен. Из числа вышеперечисленных наиболее перспективным и следует считать работы связанные с обнаружением и намерением повреждений на лопатках проточной части ГТД, принятием решений о возможности их зачистки, сами работы по зачистке повреждений на лопатках, а также проверка остаточного ресурса лопаток с выведенными механическими повреждениями. Под терминами «зачистка» или «выведение» повреждений будем понимать механическое сглаживание повреждений (преимущественно забоин), расположенных на профильной части лопаток проточной части ГТД б условиях ТО с целью снижения концентрации рабочих напряжений в этих зонах.
Здесь необходимо оговориться, что во всех случаях выведения забоин на лопатках речь будет идти о забоинах, имеющих предельно допустимые геометрические размеры (или незначительно их превышающие), а также являющихся нетипичными, т.е. не оговоренными в соответствующих нормативных документах (бюллетенях). Такие ситуации в эксплуатации возникают довольно часто. Они обусловлены невозможностью точного измерения размеров повреждений имеющимися средствами, а также не до конца просматриваемой формой повреждений,
Итак, первой задачей обеспечения ресурсоспособности ГТД является качественная оптико-визуальная диагностика ПЧ двигателя. При ТО такого рода работы имеют как регулярный, так и нерегулярный характер (на основании данных объективного контроля или по замечаниям техперсонала ( экипажа)).
Важную роль в обеспечении качества смотровых работ играет эксплуатационная технологичность двигателя, возможности оптико-визуальных средств, а также опыт и профессиональная подготовка персонала.
В отношении эксплуатационной технологичности отечественных ГТД надо отметить, что уровень ее весьма невысок[37]. Возможность качественного осмотра проточной части ограничена количеством и расположением технологических (смотровых) отверстий в корпусе ГТД, а также наличием скрытых, недоступных для осмотра полостей. Наиболее технологичным в этом отношении является двигатель ЇІС-90А, имеющий свыше 40 смотровых отверстий.
Во многом обеспечение ресурсоспособности связано с возможностями оптико-визуальных средств. Не секрет, что в подавляющем большинстве авиакомпаний отсутствуют современные эндоскопы, позволяющие точно определить размеры и глубину забоин. Используемые для этих целей методики устарели, а новые нуждаются в доработках и основаны на использовании дорогостоящего оборудования (стоимостью от 30 до НО тыс. долларов), которое большинство авиакомпаний приобрести не в состоянии.
Невысока, как показывает опыт, и эффективность работ по восстановлению двигателей из-за отсутствия качественного спецннструмента по зачистке забоин. Здесь имеет место недостаточная методическая проработка в вопросах технологии удаления забоин. Несмотря на то, что рядом зарубежных моторостроительных фирм налажен выпуск специнструмента по зачистке забоин, комплект его также очень дорог для авиакомпаний. Применение несертифицированных шаберов и шарошек не всегда обеспечивает достаточную чистоту обработанной поверхности, а иногда даже увеличивает вероятность появления трещин на лопатках при работе[38].
Основываясь на литературных источниках, можно считать доказанным, что при фиксированных массе ПП и векторе скорости соударения с кромкой лопатки глубина получаемой забоины приблизительно пропорциональна пределу текучести материала (сг02) и толщине кромки (h). Предел текучести (<тб2), равно как и предел упругости (ег0і), пластичность (Уи 4*), твердость (НВ) и ряд других физико-механнческих характеристик — важнейшие показатели эксплуатационных свойств любых конструкций. Эти характеристики вполне отражают динамику изменения несущей способности объекта в процессе т. н. структурной пошреждаемости материала при работе [31]. Под структурной повреждаемостью в диссертационной работе понимается свойство материала конструкции (в нашем случае-лопатки) быстро или медленно изменять в процессе работы исходные физико-механические характеристики.
В отличие от видимых, уровень скрытых структурных повреждений - структурная поврежденность материала - свидетельствует, в конечном итоге, о величине фактического остаточного ресурса конструкции [35]. Как показано в [16] сструктурная поврежденность зависит от длительности воздействия рабочих нагрузок, а также индивидуальных особенностей самой конструкции, поэтому однотипные конструкции с одинаковой наработкой могут иметь существенно различные запасы потенциального ресурса,
Процессы повреждаемости материалов различных конструкций при многокомпонентном и циклическом нагружениях изучались довольно основательно в нашей стране и за рубежом. Доминирующая роль здесь принадлежит отечественным ученым Центрального института авиационного моторостроения им. П.И. Баранова (И.А.Биргер, Б.Ф. Балашов, В.В. Болотин и др.)^ ВНИИ авиационных материалов (Н.Ф. Лашко, СИ. Кишкин, Е.Б. Качанов и др.), ЛИИ им. М.М. Громова (Г.П, Долголенко, И.А. Розенфельд, С.Д. Комов ), Государственного НИИ эксплуатации и ремонта ВВС (В.Т. Филипов), Воєнно-технического университета им. проф. Н.Е. Жуковскокго (А.П- Назаров, В.В. Кулешов), Московского государственного технического университета ГА { В.П. Иванов, В.А, Пивоваров, Г.Г. Белоусов, В.В. Шля ж ко, Е.А. Метелкин). Весомый вклад в исследование процессов повреждаемости металлических материалов внесен и рядом зарубежных ученых [55-60].
Наряду с рядом известных факторов, эксплуатационные свойства любой конструкции обусловлены также индивидуальной скоростью приближения физико-механических характеристик к предельным в процессе работы ГТД* Это основной показатель структурной повреждаемости материалов. Думается, что способность лопаток ГТД безотказно функционировать с видимыми механическими повреждениями (забоинами различной глубины и формы) также тесно связана также уровнем структурной поврежденностн их материала на определенном этапе работы.
Эта связь предположительно определяется уровнем структурной поврежденности материала вблизи зачищенной забоины. Очевидно, что недопустимое изменение характеристик пластичности или упругости в зоне произведенной зачистки однозначно связано с недостаточным потенциальным ресурсом казалось бы восстановленной лопатки. Такие зоны вполне могут быть обусловлены не выведенным до конца участком пластической деформации лопатки при столкновении с ПП или некачественной зачисткой. Вероятность возникновения трещины и последующего обрыва такой лопатки при работе весьма высока.
Конечно, измерить вышеупомянутые физико-механические характеристики материала вблизи зачищенной забоины традиционными методами непросто. Они, как правило, являются разрушающими и имеют статистическую трактовку. В то же время известна целая гамма методов оценки физико - механических характеристик материала, основанных на регистрации косвенных критериев прочности, таких как электроимпеданс материала, его электропроводность, твердость, измеренная динамическим способом и т.п.[39].
Одной из основных целей диссертационной работы была разработка методов н средств оценки несущей способности зон зачистки забоин с помощью методов неразрушающего контроля (МНК).
Результаты диссертационных исследований, наряду с практическими рекомендациями по использованию методик обнаружения, измерения и зачистки забоин на современных отечественных двигателях ГА позволят, на наш взгляд, значительно повысить качество восстановленных в эксплуатации двигателей, и обеспечит их потенциальный ресурс.
Диссертационная работа базируется на теоретических и экспериментальных исследованиях, проведенных под руководством научного руководителя и лично автором в реальных условиях ТО двигателей тнна ПС-90А в АТЦ а\ п Шереметьево.
Ниже приводится краткая характеристика цели, задач, содержания и основных результатов диссертационной работы.
Цель работы — выявление и апробирование в условиях ТО возможностей обеспечения безопасного функционирования авиационных ГТД, имеющих механические повреждения на лопатках турбокомпрессора.
Главными задачами исследований являлись: Статистический анализ данных об эксплуатационных повреждениях лопаток ГТД посторонними предметами на различных этапах и в различных условиях использования;
Обобщение опыта обнаружения, измерения и зачистки забоин на лопатках турбокомпрессоров ГТД в условиях эксплуатации; Уточнение и корректировка технологий обнаружения, измерения и зачистки забоин на лопатках турбокомпрессоров ГТД (на примере двигателя ПС-90А);
Проведение цикла экспериментальных работ и разработка методики определения остаточного ресурса лопаток в зонах наличия зачисток; Разработка рекомендаций для организаций по ТОнР по выявлению забоин на турбокомпрессорах ГТД, их измерению, принятию решений о возможности восстановления двигателей в эксплуатации путем проведения комплекса необходимых работ;
Оценка экономической эффективности предложенных решений поставленной цели.
Методы исследования. В зависимости от решаемых задач в работе использовались аналитические и инструментальные методы классификации и идентификации состояний объектов (их отдельных зон), а также методы математической статистики.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1, На основе обобщения опыта эксплуатации ГТД в России определены взаимосвязи между уровнями технической оснащенности, профессионализма техперсонала н качеством работ по восстановлению поврежденных ПП турбокомпрессоров в условиях эксплуатации.
2. Проведены теоретические обобщения в области циклической повреждаемости лопаточных материалов при работе.
Рекомендованы новые подходы к обнаружению механических повреждений на лопатках (забоин), их измерению средствами оптико-визуальной дефектоскопии,
Обоснованы критериальные подходы для принятия решения о возможном восстановления поврежденных ПП двигателей в условиях эксплуатации.
5. Разработаны новые технологические приемы зачистки забоин в условиях эксплуатации.
Разработаны рекомендации по совершенствованию штатного специнструмента, используемого при зачистке забоин в эксплуатации,
Разработана методика оценки качества зачистки забоин с использованием инструментального неразрушающего контроля материала лопаток в зоне произведенных зачисток.
Получены данные о технико-экономическом эффекте использования результатов проведенных исследований.
Достоверность результатов исследований» обоснованность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждаются глубиной теоретических проработок, достаточным объемом экспериментов, корректностью обработки полученных данных, а также большим практическим опытом автора.
Положения, выносимые на защиту,
Результаты статистического анализа повреждаемости отечественных ГТД посторонними предметами в процессе эксплуатации.
Результаты теоретических обобщений в области усталостной повреждаемости лопаточных материалов при циклическом нагруженни.
Обоснование критериального подхода к оценке качества зачистки забоин .
Методика оценки качества зачистки забоин на лопатках турбокомпрессоров ГТД методом вихретокового контроля.
5. Новые технологические приемы обнаружения, измерения и выведения забоин на лопатках ГТД в условиях эксплуатации.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе полученных результатов можно: Существенно повысить вероятность обнаружения забоин на турбокомпрессорах ГТД при проведении смотровых работ; Повысить точность измерения геометрических размеров обнаруженных механических повреждений;
Осуществлять качественное выведение забоин с помощью специнструмента без съема двигателя «с крыла»;
Проверять качество произведенных зачисток, т.е. определять остаточный ресурс восстановленных лопаток.
Предотвращать обрывы лопаток турбокомпрессоров ГТД в полете, снизить их досрочный съем.
Реализация и внедрение результатов работы.
Результаты, полученные в диссертационной работе использованы в целом ряде инструктивных документов, имеющих отношение к восстановлению поврежденных ГТД методами локального ремонта. Они включены в Руководства по выбору и использованию средств оптико -визуальной диагностики ГТД, технологий осмотра и восстановления ГТД ( в основном по отношению к двигателю ПС-90А).
Часть диссертационных исследований внедрена в учебный процесс (лабораторный практикум, курсовое и дипломное проектирование) по дисциплинам специальности 130300, а также направлению 552000. Апробация работы.
Результаты выполненных исследований докладывались и получили положительную оценку на ряде Всероссийских, межвузовских я других научно-технических конференциях. Всего было сделано 2 научных докладов. Ход диссертационных исследований регулярно обсуждался с научным руководителем и на заседаниях кафедры двигателей Московского государственного технического университета гражданской авиации (МГТУ ГА)
Публикации.
Про материалам диссертационных исследований опубликованы 3 научных статьи (в соавторстве и единолично) в «Научном вестнике» МГТУГА в период с 2002 по 2004 г.г. Часть результатов включена в методические разработки кафедры двигателей МГТУ ГА (3 разработки). Материалы диссертационной работы отражены также в серии отчетов по научно- исследовательской работе, выполненной кафедрой двигателей МГТУГА по гранту.
Структура и объем диссертационной работы.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, приложений. Основная часть работы изложена на 176 страницах машинописного текста, содержит 82 рисунков, 28 таблиц и 69 библиографических названий (из них 17 на английском языке). Общий объем работы —195 страницы.
Автор выражает признательность коллективу кафедры двигателей ЛА Московского государственного технического университета гражданской авиации, научному руководителю, заведующему кафедрой, д.т,н., профессору В.А. Пивоварову, а также к.т.н., доценту кафедры Двигателей ЛА Г.Г. Белоусову за оказанную помощь и конструктивные замечания в ходе выполнения и оформления данной диссертационной работы.
Состояние проблемы повреждений авиационных ГТД посторонними предметами
Рабочие лопатки компрессоров низкого (НД) и высокого (ВД) давлений авиационных ГТД являются одними из наиболее нагруженных элементов. Вместе с тем лопатки НД и ВД в значительной степени ответственны за безотказную работу ГТД в течение всего периода его эксплуатации. Как уже говорилось, надежность работы лопаток компрессоров НД и ВД зависит от трех групп факторов конструктивных, технологических и эксплуатационных, К главным конструктивным факторам относятся компоновка двигателя на самолете, а также уровень и распределение рабочих напряжений на профильной части пера лопаток при различных режимах работы двигателя. 1С технологическим факторам могут быть отнесены все показатели качества изготовления и проверки прочностных свойств лопаток на предприятии-изготовителе. В эту группу может быть включена также т.н. "технологическая наследственность" [37], отрицательно влияющая на эксплуатационные характеристики лопаток..
Из большого многообразия эксплуатационных факторов, влияющих на надежность работы лопаток важнейшими, на наш взгляд, являются два. К первому относятся структурные превращения в материале лопаток, вызываемые эксплуатационным нагруженнем (процесс внутренней повреждаемости). Эти процессы относятся к категории объективных, постепенных, потенциально обратимых, скрытых от непосредственного наблюдения. Ко второму фактору следует отнести видимые механические повреждения профильной части лопаток, вызванные соударением с посторонними предметами при работе двигателя. Эти повреждения можно фиксировать (непосредственно или с помощью оптико-визуальных средств), искусственно видоизменять (придавать, по возможности, безопасную форму повреждений), а также оценивать степень их влияния на безопасность полетов ( экспортно или сравнивая с действующими нормами). Данные предыдущего раздела показывают, что количество механических повреждений рабочих лопаток компрессоров НД и ВД эксплуатируемых типов ГТД ГА не снижается и, следовательно, влечет за собой серьезные экономические потери [31]. Этому способствуют как объективные» так и субъективные причины. Возьмем, к примеру, компоновочный фактор. Так, если нижняя кромка двигателей на самолетах типа ТУ-154 расположена на высоте 5290 мм от земли, на ИЛ-62 -3880 мм от земли., то на ИЛ -86 это расстояние составляет уже 1160мм (для внутренних двигателей), а на ИЛ-96-300 -всего 940 мм. Очевидно, что "приближение" двигателей к земле сильно способствует интенсификации их повреждений посторонними предметами. По данным авиакомпании "Аэрофлот Российские авиалинии" суммарные потери из-за повреждения компрессоров двигателей ПС-90А, ДЗО-КУ (КП].КУ-154) составили около 60 миллионов рублей Упомянутый ПС-90А относится к отечественным двигателям нового поколения (изготовитель АО «Пермские моторы»), Это двухзальный ТРДД со смешением потоков и реверсом тяги. ПС-90А является практически единственным российским двигателем, отвечающим жестким зарубежным требованиям по шуму. Он не уступает зарубежным аналогам и по выбросу вредных веществ, экономичности, т.е. вполне соответствует двигателю современной гражданской авиации.
ПС-90А начал широко использоваться на отечественных самолетах с 1991г„: дальнемагистральных Ил-96-300, среднемагистральных Ту-204, Ту-214. С 1995г. ПС-90А используется на транспортных машинах Ил-76МФ. Уже выпущено более 160 таких двигателей, что составляет примерно десятую часть от их потребности.
При оценке качества авиадвигателей принято несколько основных показателей: ресурс, надежность, экономичность, эксплуатационная технологичность и экологнчность. Каковы же основные характеристики ПС-90А? Как он выглядит на фоне своих зарубежных собратьев?
РЕСУРС: Двигатель ГТС-90А спроектирован на ресурс 25 тыс, ч, или 8000 полетных циклов. В настоящее время наибольший налёт двигателей ПС-90А имеет А/К «Аэрофлот- Российские авиалинии». Достигнутая наработка составляет 17-18000 часов. Эти двигатели прошли, в среднем, 4-5 ремонтов за весь период эксплуатации, а межремонтный налет на лидерных двигателях составил свыше 7000 часов. НАДЕЖНОСТЬ; В процессе разработки и сертификации ПС-90А подвергся беспрецедентной по сложности и объему программе проверки на безопасность и работоспособность в экстремальных или аварийных ситуациях, включавшей 435 видов испытаний. Кроме традиционного заброса на вход двигателя больших масс воды и кусков льда, испытаний на уязвимость от попадания в ПЧ птиц, впервые были выполнены экспериментальные работы по вбрасыванию в ПЧ кварцевой пыли (более 700 кг) и искусственному обрыву рабочих лопаток компрессора и турбины. Благодаря предусмотренным активным (специальным образом спрофилированный кок) и пассивным (специальные полости для отлавливания посторонних предметов, попавших в проточную часть) мерам работоспособность двигателя сохранялась во всех перечисленных случаях.
В 1994 -1995 гг. ОКБ осуществлен комплекс работ по конструктивному усовершенствованию ПС-90А, Создана модифицированная камера сгорания, исключающая коксование топлива, ротор турбокомпрессора без межвального подшипника. Введен обогрев обтекателя вентилятора, снимающий ограничения по эксплуатации двигателя в условиях обледенения; усилены лопатки направляющего аппарата шестой, девятой и тринадцатой ступеней компрессора ВД. Улучшена стабильность запуска двигателя, надежность работы стартера коробки приводов. Повышены также показатели надежности работы САУ и бортовой системы контроля работы двигателя. ЭКОНОМИЧНОСТЬ: Сравнительный анализ характеристик ПС-90А с примерно аналогичными по конструкции RB211-S35E, PW2037 показывает, что российский двигатель не только не уступает зарубежным, но по ряду параметров превосходит их. Например, удельный расход топлива ПС-90А, R.W211-535E, PW-2037 составляет, соответственно, 0,595, 0,620, 0,575 кг топлива/кг тяги .ч. Тем не менее в АО «Пермские моторы» разработана на ближайшие три года программа дальнейшего повышения экономичности этого двигателя. РЕМОНТОПРИГОДНОСТЬ В ЭКСПЛУАТАЦИИ: По поводу ремонтопригодности проточной части двигателя ПС-90А можно констатировать, что с восстановлением механических повреждений рабочих лопаток вентилятора практически всё оговорено в руководстве по технической эксплуатации ( РТЭ). Имеются большие допуски на запиловку повреждений, возможности контроля мест зачистки с помощью цветной дефектоскопии и пр. По отношению же к повреждениям компрессора высокого давления (КВД) двигатель ПС-90А практически неремонтопригоден в эксплуатации. Тем не менее, повреждения на рабочих лопатках КВД выявляются (при внеплановом эндоскопическом осмотре КВД в следствие обнаружения повреждений на лопатках вентилятора или в процессе осмотра проточной части (ПЧ) после торможения реверсом до скорости менее 120 км/ч и др.)
Технологии обнаружения, измерения и зачистки повреждений на ПС-90А
Фото и видеосистемы должны быть совместимы с эндоскопическими средствами, внесенными в Реестр средств измерений ГС ГА и рекомендуемыми для определенного типа двигателя (предусмотренными эксплуатационной документацией для их контроля).
Для выполнения этих условий в ТУ на поставку всего рекомендованного к применению параметрического ряда жестких и гибких эндоскопов предусмотрено сопряжение с видеосистемами наблюдений и устройствами цифровой регистрации. Это условие должно подтверждаться проверкой при приобретении эндоскопов и систем регистрации. 2.Видеосистемы и устройства цифровой регистрации должны обеспечивать возможность сохранения и последующей обработки, и печати на компьютерной технике типовой комплектации. 3. Состав системы определяется комплектацией поставки и включает, как правило: основные устройства, блок питания, соединительные кабели, упаковочную тару, техническую документацию и т.д. 4. В составе функций системы должна быть предусмотрена возможность: - получения стоп-кадра для временной остановки изображения с целью детального осмотра и анализа информации; -сравнения текущего изображения с ранее полученным и хранящимся в памяти; -размещения на изображении необходимых пометок (аннотаций) в виде стрелок или других знаков для выделения нужных зон. Опыт показывает, что для диагностирования проточной части двигателя ПС-90А можно использовать гибкие эндоскопы (фиброскопы) фирмы «Олимпас» 5-ой и 6-ой серии. Модельный ряд этих фиброскопов и их технические характеристики изложены в аналитической части. Малый диаметр, хорошая оптика и гибкость-обеспечивают неплохие условия для диагностику проточной части двигателя ПС-90А. Как указывалось, каждый фиброскоп «Олимпас» состоит из рабочей части (включающей в себя дистальную, управляемую часть и гибкую часть, внутри которых проходят оптоволоконные жгуты (для передачи изображения и подсветки) а также тяги блока управления и окуляра. Модель IF-6PD4 не имеет управляемой части. В серии эндоскопов IF-5 используется новая рабочая часть переменной жесткости типа IF. Данная конструкция подходит, например, для осмотра труб со множественными изгибами, при этом жесткость вводимой рабочей части плавно нарастает от дистального конца к блоку управления, не давая прибору потерять устойчивость и обеспечивая вместе с тем его максимальную гибкость. В результате чего эндоскопы серии 1Р5 проходят сквозь сложные изгибы различных каналов и в то же время обеспечивают передачу продольного и крутящего движений на дистальный конец даже в изогнутом состоянии. Четкость и яркость изображения позволяют бороскопам 5-ой и 6-ой серии стать приемлемым инструментом для эндоскопической диагностики проточной части двигателя ПС-90А, особенно при их использовании с видеокамерой Бороскопы подходят, для осмотра узлов, к которым может быть осуществлен прямолинейный доступ (особенно когда эндоскопический контроль запланирован на стадии проектирования изделия). При использовании бороскопа с видеокамерой может быть достигнуто изображение практически без искажения. Оптическая система бороскопа, состоящая из многокомпонентных линз и заключенная в защитный тубус способствует этому. Съемный кабель подсветки передает освещение от наружного источника света через бороскоп в осматриваемую область. Улучшенная подсветка (яркость изображения увеличена в 6 раз по сравнению с предшествующими моделями), Высокая четкость ( легко воспринимаемое глазом, не утомляя и не раздражая его). Удобный механизм фокусировки. Вращение рабочей части на 360: Рабочая часть может вращаться на 360" вокруг своей оси; наличие специального зубца-указателя в поле зрения (за исключением бороскопов прямого обзора и моделей К160) позволяет легче ориентироваться внутри осматриваемого узла. Поле зрения в бороскопах расширено на 32% в моделях К040 и 4fa 96% в моделях К060, в сравнении с предыдущими сериями. Равномерное освещение: Новая конструкция дистальний головки позволяет получить равномерное освещение даже близко расположенного объекта (за исключением бороскопов с прямым направлением обзора и моделей К. 160). Тубус рабочей части изготовлен из нержавеющей стали и работоспособен в диапазоне температур от -20С до 150С, под давлением до 1,7 атм. Эргономичный блок управления удобен для руки. Широкий выбор типоразмеров: выпускается 52 типа бороскопов различных длин и диаметров рабочей части, направлений и улов обзора. Для наибольшей эффективности работы и более точными определениями размеров повреждений лопаток с помощью эндоскопов 6-ой серии рекомендуется использовать в сочетании с анализатором IW-2 фирмы «Олимпас». Имеются два вида видеоанализаторов: IW-2 со встроенным IV-5A и IW-2 со встроенным отделением для хранения камеры. Видеоанализатор IW-2 позволяет наблюдать изображение, создаваемое промышленным видеоскопом или видеокамерой, на мониторе. В данном видеоанализаторе используется галагеновый источник света мощностью 150Вт. Изображение выводится на встроенный жидкокристаллический монитор МН-902/903.
Технология механизированной зачистки повреждений рабочих лопаток компрессора ВД двигателя ПС-90А
Произвести осмотр рабочих лопаток компрессора ВД согласно руководства по ТЭ 072.30.00, стр.239 с помощью эндоскопа. При обнаружении повреждений входных или выходных кромок в виде забоин, вмятин, отгибов уголков производится их замер и фотографирование. На основании полученной информации решается вопрос о дальнейшей эксплуатации двигателя с представителями предприятия-изготовителя.
Используя оборудование фирмы «Richard Wolf» (рис.3.14) при получении разрешении от представителя предприятия-изготовителя на проведения зачистки повреждённых лопаток компрессора ВД. В этих целях, используя эндоскоп «Olympus» R080-024-090-50, находим ранее обнаруженную повреждённую рабочую лопатку. На устройство «Richard Wolf» устанавливается фреза в соответствии со ступенью компрессора ВД на которой необходимо выполнить зачистку (см. табл.№ З.1.). При выключенном питании, через лопатки направляющего аппарата, подвести фрезу к участку повреждения рабочей лопатки компрессора ВД (при этом используется штатный эндоскоп прибора «Richard Wolf»). В диапазоне окна между лопатками направляющего аппарата, медленно вращая ротор компрессора ВД электрической прокруткой, выбираем положение рабочей лопатки компрессора ВД при котором фреза будет находиться перпендикулярно кромки рабочей лопатки. В таком положении достигается наиболее эффективный результат. Включаем электропитание двигатель устройства «Richard Wolf» и выбираем оптимальную скорость фрезерования, о чём свидетельствует наличие летящей стружки.
В зависимости от типа повреждения (забоина, вмятина, отгиб) и места расположения его на кромки рабочей лопатки процесс фрезерования делится на два вида: - фрезерование забоин, вмятин которые в процессе не требуют удаления уголка торцевой части рабочей лопатки компрессора ВД. Для выполнения этого условия, повреждение должно находится на кромке выше от торца лопатки на пять частей по отношению к глубине повреждения. Разгонка запиловки вдоль кромки производится один к пяти по отношению к глубине повреждения. После разгонки кромка рабочей лопатки подлежит восстановлению формы (заточки) и полировки. Для шлифования используется алмазные фрезы (см. табл № З.1.). Шлифование фрезерованного места на пере рабочей лопатки компрессора ВД производится шероховатостью не грубее Rz 20 (согласно РТЭ 072.00.00). Шлифование выполняется с целью восстановления формы (заточка) кромки со стороны корыта и спинки лопатки. Это возможно путём небольшого поворота рабочей лопатки между направляющими лопатками для возможности проведения данной работы со стороны корыта. Окончательно место зачистки кромки рабочей лопатки полируется фрезами (см. табл № З.1.). После полировки шероховатость обработанной поверхности должна быть не грубее Rz 1,25 (согласно РТЭ 072.00.00). Длины шлифовальных и полировочных фрез может меняться на 5мм. Класс шероховатости определяется визуально с помощью эндоскопа «Olympus» R80-024-090-50 т.к. разрешающая способность эндоскопа «Richard Wolf» намного ниже. После полировки следы повреждения не допускаются. -Запиловка забоин, вмятин и отгибов уголков, подходящих под запиловку уголка (рис.3.11.) производится несколько иначе: Процесс запиловки уголка наиболее трудоёмок потому, что требуется удалять большую часть поврежденного металла рабочей лопатки, а эффективность фрезерования относительно низкая. Технологический процесс запиловки уголка аналогичен запиловки описанный выше за исключением: При фрезеровании фрезой на рабочей лопатке, в торцевой её части, образуется так называемый «клюв» (рис.3.12.).Удалить «клюв» возможно только конусной шлифовальной фрезой (см. табл № З.1.). В этих целях целесообразно использовать возможность наклона фрезы прибора «Richard Wolf» больше 90 по отношению к оси прибора. Окончательный вид запиловки уголка рабочей лопатки компрессора ВД с последующей полировкой кромки представлено на рис.3.13.Полученные после зачистки фотодокументы в разных ракурсах передаются представителям завода-изготовителя для принятия решения о дальнейшей эксплуатации двигателя. Преимущество данного метода заключается в оперативном решении ввода в строй двигателя, низкой себестоимостью. Недостатками является высокая стоимость предлагаемого оборудования, необходимость высокой квалификации для проведения работ, отсутствие возможности инструментальной проверки методами неразрушающего контроля на наличие трещин мест зачистки. Результаты проведенных работ по зачистки лопаток КВД двигателя ПС-90А. Проведение работ по зачистки лопаток КВД в полном объеме, указанном в данной работе (зачистка рабочих лопаток КВД с помощью оборудования «RICHARD WOLF» и контроль места зачистки вихретоковым дефектоскопом), производились с 2003г. С января по октябрь было восстановлено четыре двигателя и допущены к дальнейшей эксплуатации без ограничений:
Рекомендации по периодичности и объему контроля восстановленных лопаток турбо компрессоров при ТОиР ГТД
Подбор вихретокового дефектоскопа производится на основании удельной электропроводности рабочих лопаток о=5.8 МСм/м и полученной расчетной частоты /=2.5 МГц.
Наиболее удобный дефектоскоп, работающий в требуемых параметрах, является прибор «FORSTER Н 2.835.» (рис.4.8.), который работает с материалами удельной электропроводностью 0.5 а 60 МСм/м, в режиме Fe/АУСТ частота прибора 4 МГц.
Калибровка дефектоскопа. Тестер настраивается непосредственно на объекте испытания на свободном от дефектов участке или с помощью рабочего стандартного образца (РСО) рис. 4.10. полностью идентичного рабочей лопатки КВД с нанесенным искусственным дефектом на рабочей кромке длиной 1мм и шириной раскрытия 0.1мм.(возможно использование вместо РСО поверочной плиты с дефектами входящих в стандартный комплект).
После соединения тестера с гнездом «ТЕСТОР» дефектоскоп Н 2.835. включается с помощью двухпозиционного переключателя. На монокристаллическом экране появляется значение чувствительности и тип материала в последнем испытании. Тип испытуемого материала устанавливается нажатием клавиши «М». Компенсация «подъема» производится с поднятым тестером нажатием клавиши «L». Компенсация «0» производится с установленным тестером на бездефектном участке путем нажатия клавиши «Z», через, примерно, 1 с появляется индикация «READY». Дефектоскоп Н 2.835 готов к работе. Чувствительность можно изменять от 0 до 19.5 дБ ступенями по 0.5 дБ. Чувствительность настраивается по образцу РСО на основе искусственной трещины. Результаты испытаний индицируются на аналоговом приборе со школой от -20.„О.„100. На шкале прибора пять порогов дефектов 20, 40, 60, 80, 100. Если сигнал от дефекта превышает порог, загорается красный светодиод для соответствующего порога, что обеспечивает дополнительную визуальную индикацию дефекта в соответствии с амплитудой. Исходная точка порог срабатывания сигнализации аналогового прибора устанавливается регулятором «ZERO» (не влияет на установку нуля). Кроме визуальной сигнализации о дефекте предусмотрена и звуковая сигнализация. Генератор звуковых частот включается отдельным выключателем и срабатывает в соответствии с установленным порогом срабатыванием световой сигнализации. Проведение контроля. Тестер устанавливается на контролируемую деталь и плавно направляется на участок, подлежащий контролю. Если в материале нет дефектов, то стрелка просто колеблется над исходной точкой шкалы из-за неточности ручного управления тестером. Трещины на поверхности материала глубиной от 0 до0.7мм вызовут отклонение стрелки аналогового прибора пропорционально глубине. При обнаружении более глубоких трещин показание на приборе будет увеличиваться, но уже не пропорционально глубине. При достижении сигнала больше установленного порога срабатывания загорится световая сигнализация и сработает звуковая сигнализация (в положении «вкл».). Методика контроля рабочих лопаток КВД двигателя ПС-90А. Назначение и общее положение. 1. Настоящая методика является руководящем материалом по проведению вихретокового контроля рабочих лопаток КВД на наличие трещин по входным и выходным кромкам двигателя ПС-90А. 2. Контролю подлежат рабочие лопатки КВД после проведения на них зачистки или при подозрении на кромках трещин. 3. К проведению контроля допускаются лица имеющие 2-ой уровень квалификации дефектоскописта по вихретоковому методу контроля или обученные и аттестованные в соответствии с ОСТ 5430019-83 на право проведения работы по дайной методике. 4. Минимальный размер трещины ограничен конфигурацией тестера. При выполнении всех требований настоящей методики обеспечивается уверенное выявление сквозных трещин длиной 1,0 мм и более на кромке. Средства контроля (рис.4.П.). 1. Методика предусматривает применение вихретокового статического дефектоскопа типа Н 2.835. фирмы «FORSTER». 2. С дефектоскопом используется специальный тестер с упором для предупреждения краевого эффекта. 3. Для настройки дефектоскопа применяется метрологически аттестованный рабочий стандартный образец (РСО) идентичный контролируемой лопатке (рис4.10.). 4. Для подвода тестера к лопатки КВД и правильной установки его на кромки, используется зачистной блендоекоп «RICHARD WOLF» модель 5.10036.001 с рабочей длиной 530мм. 5. Основные положения данной методики могут быть использованы при применении других дефектоскопов и тестеров имеющие аналогичное назначение и параметры не хуже, чем у рекомендуемых данной методикой. . Комплект оборудования для контроля рабочих лопаток КВД двигателя ПС-90А (зачистной блендоскоп «RICHARD WOLF» модель 5.10036.001 с источником света, вихретоковый дефектоскоп типа Н 2.835. фирмы «FORSTER» с тестером, РСО). Подготовительные работы. 1. Произведите открытие смотровых лючков в соответствии с требованиями РТЭ 072.30.00. 2. Используя эндоскоп, определите зону контроля лопатки КВД путем прокручивания ротора КВД. 3. Установите на зачистной блендоскоп шток с длиной, соответствующей контролируемой ступени КВД. 4. Установите на шток тестер. 5. Подключите штекер кабеля датчика к розетке «PROBE». 6. Включите питание дефектоскопа. 7. Подключите блендоскоп «RICHARD WOLF» к источнику питания и света в соответствии с инструкцией по применению. 1. Установить тип исследуемого материала «AUST» нажатием клавиши «М». Настройка дефектоскопа 2. Выполнить компенсацию подъема. С этой целью поднять тестер от испытуемого образца и нажать клавишу «L». Держать тестер в поднятом положении, пока на индикаторе остается «L» (до 3.5с). В теории эксплуатации формирование режимов технического обслуживания самолетов обычно обусловлено интенсивностью отказов за определенный промежуток времени [50]. Как правило, абсолютное большинство отказов находится в причинно-следственной связи с нарушением целостности (появлением трещины) или разрушением рабочий лопатки КВД. В последние годы много исследований посвящено кинетике разрушения (развитию трещин). Это связано с возможностью учета живучести конструкций (функционирование с наличием видимых повреждений). Механика разрушения изучает условия зарождения, закономерности развития трещин, а также вопросы совершенствования расчетных методов обеспечения долговечности конструкций, находящихся в начальных стадиях разрушения.
Эксплуатантов интересует лишь часть вопросов, рассматриваемых механикой разрушения, а именно: как остаточный ресурс элемента конструкции зависит от размера трещины, какова предельная длина трещины в реальных условиях работы конструкции, с какой периодичностью необходимо проводить контроль элементов конструкции. Прежде чем ответить на эти вопросы, остановимся кратко на периодах формирирования представлений о степени опасности трещин.
Заметим, что длина безопасной трещины обратно пропорциональна податливости — способности материала к упругому деформирования. В общем случае, чем больше податливость материала, тем меньше длина безопасной трещины.
Процесс разрушения складывается из двух стадий — зарождения трещины и ее развития, причем каждая из этих стадий подчиняется своим законам, характеризуется своими критериями.
