Диагностирование двигателя НК-16СТ в наземных стационарных установках

 

АКАДЕМИЯ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

Факультет

КФ

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

(Пояснительная записка)

Тема: «Диагностирование двигателя НК-16СТ в наземных стационарных установках»

Руководитель:

Тарасов Владислав Николаевич

Исполнитель:

Андреев Алексей Иванович

Санкт-Петербург

Аннотация

Целью данной дипломной работы является анализ применяемых методов и средств диагностирования двигателя НК-16СТ. В ней рассматриваются ряд предложений по применению различных методов анализа состава масла двигателя, включая и новый метод, основанный на использовании сцинтилляционных измерений параметров частиц износа, а также перспективы использования этого метода для диагностики НК-16СТ в Уренгойском газопромысловом управлении.

Условные сокращения

АГТД - авиационный газотурбинный двигатель;

ГПА - газоперекачивающий агрегат;

ГГ - газогенератор;

СТ - свободная турбина;

ПО - передняя опора;

ЗО - задняя опора;

КНД - компрессор низкого давления;

КВД - компрессор высокого давления;

СК - стопорный клапан;

ДК - дренажный клапан;

ДГ-16 - дозатор газа;

ВОУ - входное очистительное устройство;

ВНА - входной направляющий аппарат;

ГТД - газотурбинный двигатель;

РНА - регулируемый направляющий аппарат;

АСУ - автоматизированная система управления;

САУ - система автоматического управления;

КПА - коробка приводов агрегатов;

КПМА - коробка приводов маслоагрегатов;

СО - стандартный образец;

ТО - техническое обслуживание.

Содержание

Введение

1. Сущность проблемы диагностики ГПА и пути её решения

1.1 Значение технической диагностики ГПА

1.2 Задачи диагностирования ГГ и предъявляемые требования к диагностированию

2. Двигатель НК-16СТ в составе компрессорной станции (КС)

2.1 Назначение, краткое описание конструкции

2.2 Принцип работы двигателя в составе газокомпрессорной станции

2.3 Методы контроля двигателя НК-16СТ и сравнение с методами контроля НК-8-2У

2.4 Датчики контроля

2.4.1 Датчик ДЧВ-2500

2.4.2 Приёмник температуры П-77

2.4.3 Датчик температуры торможения П98

2.4.4 Термопара Т-93

2.4.5 Дифференциальный сигнализатор давления СКК

2.4.6 Теплостойкий сигнализатор давления МСТ-18С

2.4.7 Виброустойчивый теплостойкий сигнализатор давления типа МСТВ

2.4.8 Сигнализатор предельных оборотов СПО-2Р

2.4.9 Система защиты от помпажа

2.4.10 Логарифмический датчик давления ДОЛ-16

2.4.11 Регулятор температуры РТ-12-9А

2.4.12 Аппаратура контроля вибрации ИВ-Д-ПФ-2

2.4.13 Теплостойкий сигнализатор давления МСТ-14АСМ

2.4.14 Магнитная пробка с клапаном

2.4.15 Сигнализатор наличия стружки СНС-25Р

3. Техническое обслуживание двигателя НК-16СТ

3.1 Межрегламентный осмотр

3.2 Регламентные работы

4. Разработка методических подходов по оценке технического состояния ГТД с использованием спектрального, феррографического анализа проб масла

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

4.2 Рентгенофлуоресцентный метод определения концентрации металлов в смазочных маслах

4.3 Рентгенофлуоресцентная аппаратура для проведения анализа

4.4 Феррографический метод оценки технического состояния авиадвигателей

5. Сцинтилляционный метод анализа проб масла

5.1 Принцип действия сцинтилляционного спектрометра

5.2 Диагностирование авиационных ГТД по результатам сцинтилляционных измерений параметров частиц износа

5.3 Оценка погрешности при сцинтилляционных измерениях концентрации и числа частиц металлов в смазочном масле

Выводы и рекомендации

Список используемой литературы

Введение

На протяжении последних десятилетий в наземных машинах и установках в качестве привода начали появляться конвертированные авиационные газотурбинные двигатели. Малые масса и габариты, низкая стоимость и быстрота создания при высоких значениях мощности, КПД и показателей надёжности, высокая эксплуатационная технологичность, транспортабельность, особенно в труднодоступных районах, мобильность и простота обслуживания и ремонта обусловили широкое внедрение конвертированных АГТД в экономику многих стран мира. Наибольшее применение эти двигатели в настоящее время находят в качестве привода газоперекачивающих агрегатов. Одним из таких двигателей является НК-16СТ.

Надёжность работы этого двигателя во многом предопределяет выполнение обязательств Газпрома в поставках природного газа перед потребителем.

Целью этой работы является анализ применяемых методов и средств диагностирования, выявления недостатков и предложения улучшения контроля надёжности и работоспособности двигателя НК-16СТ.

1. Сущность проблемы диагностики ГПА и пути её решения

.1 Значение технической диагностики ГПА

Необходимость существенного расширения работ в области диагностирования газоперекачивающих агрегатов (ГПА) и в первую очередь с газотурбинным приводом, составляющих преобладающий удельный вес в общей энерговооружённости газовой отрасли, создание и внедрение диагностических систем неразрывно связаны с решением таких ключевых проблем, как повышение качественного уровня агрегатов, сокращение сроков их освоения и затрат на эксплуатацию, направленных на экономию топливно-энергетических ресурсов, повышение эффективности и надёжности функционирования газотранспортной системы.

Внедрение методов и средств диагностирования и прогнозирования технического состояния на всех стадиях жизненного цикла двигателя позволит:

перейти от традиционной системы планово-предупредительных ремонтов к ремонту по фактическому состоянию, что способствует увеличению ресурса парка ГПА до ремонтов, позволяет сократить затраты на ремонт, уменьшить потребность в запасных частях и ремонтном персонале, повысить качество ремонта;

повысить стабильность значений выходных показателей эффективности двигателя (располагаемой мощности и КПД) в межремонтный период путём принятия современных мер по устранению выявленных неисправностей на работающих газогенераторах (ГГ);

уменьшить вероятность внезапных отказов и тем самым повысить безопасность и исключить последствия материального характера;

обеспечить эксплуатанта информацией о фактическом состоянии парка ГГ и о их характеристиках в процессе эксплуатации.

1.2 Задачи диагностирования ГГ и предъявляемые требования к диагностированию

Основная цель диагностирования и прогнозирования ГГ - это повышение эффективности их использования в системе транспорта газа.

В процессе эксплуатации изменение технического состояния происходит под воздействием эксплуатационных факторов и выражается в последовательной смене во времени исправных, неисправных, но работоспособных и, наконец, неработоспособных состояний. Влияние эксплуатационных факторов определяется условиями использования двигателя и, в частности, режимами работы, свойствами рабочих сред, воздействием окружающей атмосферы, а также своевременностью и качеством проведения технического обслуживания и ремонта, соблюдением обслуживающим персоналом правил технической эксплуатации. Влияние конструктивно-производственных и эксплуатационных факторов на выходные показатели двигателя носит случайный характер и проявляется в отклонениях начальных значений показателей однотипных двигателей от паспортных, а также в уровне и динамике изменения во времени фактических показателей при эксплуатации.

Требования к диагностированию двигателя определяются сферой его использования и назначением, необходимой глубиной и точностью диагноза.

В сфере эксплуатации накопленный опыт использования диагностирования в «Газпроме» позволил обозначить два взаимосвязанных направления его развития:

непрерывное диагностирование двигателя комплексными автоматизированными системами диагностики (КАСД);

централизованное диагностическое обслуживание силами оперативных бригад; это обслуживание требует использования специальной анализирующей аппаратуры и участия специалистов высокой квалификации.

Объективной предпосылкой для разработки и развития КАСД является планируемое внедрение в отрасли технических средств АСУ на базе микропроцессорной техники, обеспечивающих возможность автоматизированного сбора, накопления, передачи и обработки диагностической информации, т.е. необходимые условия для реализации автоматизированного диагностирования.

Всем выше перечисленным требованиям отвечает двигатель НК-16СТ, который широко используется на компрессорных газоперекачивающих станциях Уренгойгазпрома.

2. Двигатель НК-16СТ в составе компрессорной станции (КС

2.1 Назначение, краткое описание конструкции

Двигатель НК-16СТ (рис. 1) конструкции опытно-конструкторского бюро академика Генерального конструктора Кузнецова Николая Дмитриевича создан на базе авиационного двухконтурного двигателя НК-8-2У (рис. 2) семейства двигателей НК. Базовый двигатель применяется в качестве силовой установки самолёта ТУ-154Б.

Двигатель НК-16СТ (рис. 1) предназначен для работы в составе газоперекачивающего агрегата ГПА-Ц-16/76 разработки Сумского машиностроительного научно-производственного объединения (СМНПО) им. Фрунзе по заказу Министерства газовой промышленности.

При конвертировании базового двигателя, т.е. применении его в новом качестве без существенных конструктивных изменений, была максимально сохранена материальная часть (более 65% узлов и деталей), которая проверена работой на самолётах и ещё имела достаточный запас по ресурсу для дальнейшей эксплуатации на земле.

Конструктивно двигатель состоит из 2-х модулей - газогенератора (собственно базового двигателя с доработками) и силовой турбины. Каждый модуль имеет свою раму для крепления, что позволяет при необходимости заменять двигатель целиком или отдельно ГГ и СТ.

Модуль СТ для данного двигателя разработан и изготовлен вновь. В ГГ внесены следующие основные конструктивные изменения, вызванные спецификой применения его в составе ГПА:

) Заглушен вход во второй контур двигателя, а рабочие лопатки обеих вентиляторных ступеней обрезаны.

газоперекачивающий двигатель компрессорный газотурбинный масло

Рис. 1. Двигатель НК-16СТ и его кинематическая схема

Рис. 2. Двигатель НК-8-2 и его кинематическая схема

Вентиляторы ступени базовых двигателей (рис. 3) стали 1-ой и 2-ой ступенями компрессора НД двигателя НК-16СТ. Необходимость во 2-ом контуре отпала в связи с достаточностью использования для получения заданной мощности 16 МВт внутреннего 1-го контура (рис.4).

Рис. 3. Компрессор каскада низкого давления НК-8-2

Рис. 4. Компрессор каскада НК-16СТ

2) По вышесказанной причине вторая ступень турбины НД, вращающая компрессор НД, (рис. 2) аннулирована с заменой на диске рабочих лопаток на лабиринтные гребешки (рис. 1). Мощность, развиваемая 1-ой ступенью турбины НД, достаточна для вращения компрессора НД.

) В камере сгорания вместо 144 керосиновых форсунок установлены 32 газовые форсунки. Доработаны под топливный газ оба запальника (рис. 5).

Рис. 5. Запальник

4) Для размещения привода масляных агрегатов СТ установлена новая, так называемая дополнительная коробка приводов (дополнительная КПА).

) В системе регулирования и топливопитания из-за её новых функций введены такие агрегаты, как дозатор газа ДГ-16 (рис. 6), стопорный клапан СК, дренажный клапан ДК, изменена конструкция агрегатов механизации компрессора АУ и АК.

Рис. 6. Дозатор газа ДГ-16

) В месте стыковки модулей ГГ и СТ установлены переходная проставка и подвижное телескопическое соединение с уплотнительными элементами для организации газодинамической связи между турбинами ГГ и СТ. Соединений рам крепления ГГ и СТ жёсткое по призонным болтам.

На двигателе предусмотрены системы запуска, контроля, защиты и сигнализации, обеспечивающие автоматический запуск, обнаружение неисправностей и отклонений параметров на работающем двигателе, а также система противообледенения, позволяющая работать двигателю в любых метеоусловиях.

На двигателе расположены смотровые лючки, которые позволяют оптическими приборами контролировать состояние газовоздушного тракта.

Надо учитывать, что двигатель работает на природном газе, что сопряжено с рядом мер по охране труда, поэтому во время его работы обслуживающему персоналу категорически запрещается заходить в блок двигателя.

Конструктивно двигатель включает в себя:

переднюю опору;

входной направляющий аппарат;

среднюю опору;

компрессор осевой десятиступенчатый, двухкаскадный, состоящий из компрессора низкого давления и компрессора высокого давления;

блок камеры сгорания;

турбину газогенератора - двухступенчатую;

заднюю опору;

оболочки;

силовую проставку;

свободную турбину - одноступенчатую осевую;

опору СТ.

Передняя опора ротора компрессора НД вмонтирована во ВНА.

ВНА выполнен в виде кольца со вставленными в него двенадцатью радиально расположенными лопатками, к нижним полкам которых крепится опора ротора компрессора НД.

Средняя опора включает в себя:

узел задней опоры ротора компрессора НД с шариковым подшипником и деталями уплотнения;

узел собственно средней опоры с шариковым подшипником;

узел регулируемого направляющего аппарата;

корпус центрального привода;

детали уплотнения.

Осевой десятиступенчатый, двухкаскадный компрессор включает в себя:

узел четырёхступенчатого двухопорного ротора компрессора НД;

узел статора компрессора НД, состоящий из лопаточных направляющих аппаратов и рабочих колец.

узел шестиступенчатого двухопорного ротора компрессора ВД;

узел статора компрессора ВД, состоящий из лопаточных направляющих аппаратов, рабочих колец и механизма клапанов перепуска воздуха с ресивером отбора воздуха.

Блок камеры сгорания включает в себя наружный корпус, камеру сгорания, внутренний корпус и два воспламенителя.

Компрессоры двигателя вращает двухкаскадная, двухступенчатая турбина газогенератора. Первая ступень турбины вращает ротор компрессора ВД, а вторая ступень - ротор компрессора НД. В узел турбины входит узел статора, состоящий из лопаточных сопловых аппаратов и колец.

Задняя опора с роликовым подшипником является опорой ротора турбины НД. Опорой ротора турбины служит роликовый подшипник, расположенный между валами турбины НД и ВД. Узел задней опоры является одновременно и опорой ротора турбины ВД.

Оболочки, устанавливаемые между корпусами средней и задней опор, являются силовым элементом и одновременно служат тепловым экраном. На наружных поверхностях оболочек располагаются агрегаты механизации компрессора, фланцы отбора воздуха и арматура электропроводки и трубопроводов.

Силовая проставка над задней опорой является задним силовым поясом крепления двигателя на раме. Через люк на силовой проставке проходит проушина крепления двигателя.

Одноступенчатая осевая свободная турбина конструктивно состоит из ротора (вал и рабочее колесо) и статора.

Статор представляет собой кольцевой лопаточный сопловый аппарат и рабочее кольцо со вставками.

Опора свободной турбины включает в себя передний роликовый и задний шариковый и роликовый подшипники. В опоре через одно из её рёбер проходит рессора для привода коробки приводов агрегатов.

На двигателе установлены агрегаты масляной и топливной систем, агрегаты системы регулирования, контроля работы и защиты, жгуты электропроводки с выходными соединениями, трубопроводы масляной и топливной систем, трубопроводы отбора воздуха из компрессора на нужды самого двигателя и ГПА.

2.2 Принцип работы двигателя в составе газокомпрессорной станции

Атмосферный воздух через входное очистительное устройство в камеру всасывания газоперекачивающего агрегата входит в двигатель. В компрессорах НД и ВД воздух сжимается и поступает в камеру сгорания. В камере сгорания в потоке воздуха сжигается топливо (природный газ, очищенный нефтяной газ), поступающее через форсунки. Из камеры сгорания горячие газы направляются на лопатки турбин. В турбине газогенератора тепловая энергия газового потока превращается в механическую энергию вращения роторов турбин. Мощность первой ступени турбины расходуется на вращение ротора компрессора ВД, вторая ступень турбины вращает ротор компрессора НД. Мощность, полученная на валу СТ расходуется на привод нагнетателя газоперекачивающего агрегата ил нагнетателя газлифтной компрессорной станции.

Отработанный газ через выхлопное устройство выбрасывается в атмосферу.

2.3 Методы контроля двигателя НК-16СТ и сравнение с методами контроля НК-8-2У

Важная роль в проблеме надёжности двигателя принадлежит методам контроля технического состояния, которые дают возможность обнаруживать неисправности элементов на ранних стадиях их развития. Применение этих методов позволяет своевременно выполнять работы по предотвращению отказов двигателя и обеспечивает наиболее полное использование заложенных в его конструкцию ресурсных возможностей.

Основной задачей системы контроля технического состояния является регистрация параметров двигателя в процессе его работы, обработка материалов для решения диагностических задач, документирование и хранение выходной информации для последующей статистической обработки данных (база данных НК-16СТ хранится в компьютере и рассчитана на 1000 событий, каждое последующее вытесняет предыдущее).

Контроль является одной из необходимых функций любой системы управления. Цель контроля в системе управления надёжностью состоит из обнаружения происходящих в системе событий, заключающихся в отклонении выходных величин от заданных значений. В общем смысле, контроль - это процесс получения информации, сводящийся к обнаружению происходящих событий, регламентирующих, в соответствии с алгоритмом, управляющие воздействия на двигатель.

Контроль проводится в три этапа:

) получение информации о фактическом состоянии двигателя;

) обработка первичной информации, которая включает в себя сопоставление первичной информации с установленными требованиями, нормами, критериями;

) представление результатов контроля.

Контроль бывает производственный и эксплуатационный. Мы в данной работе не рассматриваем производственный, а только эксплуатационный контроль.

При эксплуатационном контроле технического состояния в первую очередь возникает вопрос о том, к какому из двух компонентов: А0 или А1 - относится техническое состояние двигателя в данный момент времени. Таким образом, первой задачей эксплуатационного контроля является определение работоспособности функциональных систем ГТД с целью подтверждения их работоспособного состояния или обнаружения отказов (повреждений).

Если в результате решения этой задачи установлен отказ, то возникает задача диагностирования, т.е. поиска места отказа с заданной подробностью (детализацией) (рис. 7).

К современным системам диагностики предъявляются следующие основные требования:

) достоверность и достаточность диагностики;

) комплексность применения различных методов диагностики на всех этапах жизненного цикла ГТД;

) высокая надёжность систем технического диагностирования;

) оперативность и наглядность представления диагностической информации;

) возможность использования полученной информации для прогнозирования технического состояния;

) учёт при создании систем диагностирования человеческого фактора.

Рис. 7. Схема системы управления техническим состоянием ГТД

Так как двигатель НК-16СТ был разработан на основе двигателя НК-8-2У, у него есть средства контроля замеряемых параметров, которые относятся к средствам диагностирования.

Различают рабочее и тестовое диагностирование. Рабочее осуществляется встроенными средствами контроля, тестовое осуществляется после останова двигателя (осмотр лопаток, проба масла и т.д.)

В табл. 1 дано сравнение замеряемых параметров на рабочем двигателе НК-16СТ и замеряемых параметров НК-8-2У.

Таблица 1

Замеряемые параметры двигателей НК-16СТ, НК-8-2У

НК-16СТНК-8-2УПо роторам двигателя- вибрация опор; - частота вращения роторов.- уровень масла; - давление топлива; - температура газов за турбиной; - положение клапана перепуска; - положение замка реверса; - наличие стружки в масле; - температура масла; - засорение фильтра; - вибрация опор; - положение РНА; - положение створок реверса. По газовоздушному тракту двигателя- температура газов перед СТ; - устойчивость компрессора; - давление за компрессором.По масляной системе- температура масла в различных точках системы; - давление масла в магистралях; - давление в средней опоре; - появление стружки в масле.По системам регулирования- давление масла в системе.По системе запуска- частота вращения стартера; - положение заслонки стартера; - частота вращения ротора ВД на запуске.По системам, обеспечивающим работу двигателя- температура и уровень масла в баке двигателя; - давление и температура топливного и пускового газа; - температура воздуха на входе в двигатель и в отсеке двигателя; - разрежение на входе в двигатель; - загрязнённость фильтров маслосистемы; - напряжение питания постоянного тока.

Двигатель НК-16СТ устанавливается стационарно на газоперекачивающих установках, вследствие чего отпадает необходимость в борьбе против лишнего веса, как у НК-8-2У, также как и в механизме реверса, поэтому средства контроля здесь представлены более полно.

Система контроля двигателя НК-16СТ представляет собой комплекс датчиков и преобразующей аппаратуры.

Система контроля двигателя предназначена:

для предоставления визуальной информации о параметрах двигателя и систем, обеспечивающих его работу;

для выдачи технологических сигналов о работе двигателя;

для выдачи предупредительных сигналов в случае отклонения контролируемых параметров за пределы допустимых величин;

для выдачи управляющих сигналов аварийного останова в случае достижения опасных величин контролируемых параметров;

для выдачи управляющих сигналов, используемых в АСУ двигателя для блокировки запуска двигателя в случае невыполнения предпусковых условий.

Системой контроля работы двигателя контролируются следующие параметры и техническое состояние:

) По роторам двигателя:

вибрация опор;

частота вращения роторов.

) По газовоздушному тракту двигателя:

температура газов перед СТ;

устойчивость компрессора;

давление за компрессором.

) По масляной системе двигателя:

температура масла в различных точках системы;

давление масла в магистралях;

давление в средней опоре;

появление стружки в масле.

) По системам регулирования:

давление масла в системе.

) По системе запуска:

частота вращения стартера;

положение заслонки стартера;

частота вращения ротора ВД на запуске.

) По системам, обеспечивающим работу двигателя:

температура и уровень масла в баке двигателя;

давление и температура топливного и пускового газа;

температура воздуха на входе в двигатель и в отсеке двигателя;

разрежение на входе в двигатель;

загрязнённость фильтров маслосистемы;

напряжение питания постоянного тока.

По структурно-конструктивному выполнению отдельные каналы контроля можно разделить на следующие группы:

) Группа каналов контроля, представляющих собой отдельные аппаратные системы, поставляемые с двигателем. Такие системы оснащены датчиками и преобразующей аппаратурой, выдающей в САУ ГПА предупредительные и аварийные сигналы. В этой группе датчики устанавливаются на двигателе, а блоки аппаратуры - в отсеке автоматики ГПА. К этой группе относятся:

сигнализатор предельных оборотов СПО-2Р;

сигнализатор помпажа ЭСП-12-1;

регулятор температуры РТ-12-9А;

блок автомата запуска БАЗ-16;

аппаратура вибрации ИВ-Д-ПФ-2, дополнительно имеющая блок визуальных приборов, устанавливаемый в пультовой компрессорной станции.

) Группа каналов, выполняющих функции контроля предельных значений параметров или положений исполнительных элементов. Данные сигнализаторы выдают релейные сигналы в САУ ГПА, которая разделяет эти сигналы на технологические, предупредительные или аварийные. В процессе запуска разделение некоторых сигналов выполняет также и БАЗ-16.

) Группа каналов для измерения текущего значения параметров, в которых датчики могут относиться как к двигателю, так и к ГПА. Вывод на показывающий прибор, а также выработку соответствующих сигналов производит САУ ГПА.

2.4 Датчики контроля

.4.1 Датчик ДЧВ-2500

Датчик ДЧВ-2500 (рис. 8) предназначен для преобразования частоты вращения роторов двигателя в частоту электрических сигналов, выдаваемых по двум электрически не связанных каналам.

Рис. 8. Датчик ДЧВ-2500

На двигатель устанавливается пять датчиков: два на коробке приводов ротора НД (рис. 9), один на коробке приводов ВД (рис. 8) и два на коробке приводов СТ (рис. 9).

Рис. 9. Установка ДЧВ-2500 на СТ и установка ДЧВ-2500 на НД

Основным узлом датчика является бескаркасная катушка из двух обмоток с постоянным магнитом внутри её. Катушка с магнитом размещается в корпусе, выполненном из немагнитной нержавеющей стали в виде тонкостенного стакана. Для крепления датчика на корпусе имеется буртик, который прижимается к посадочной поверхности фланцем соответствующей конфигурации и является принадлежностью двигателя. Корпус снабжён резьбовым штуцером, к которому подсоединяется соединитель кабельного плана двигателя.

Датчик ДЧВ-2500 работает во взаимодействии с индуктором (зубчатым колесом), приводимым от вала соответствующего ротора через шестерёнчатую передачу. при вращении индуктора каждый из его зубьев, проходя в непосредственной близи от торца датчика, изменяет магнитное поле, окружающее витки катушки датчика. Вследствие этого в катушке индуцируется ЭДС. Частота ЭДС пропорциональна частоте вращения соответствующего ротор двигателя.

Выходные сигналы датчиков частоты вращения выдаются в САУ ГПА для цепи контроля (от всех трёх роторов), для цепи регулирования (от ротора НД), для цепи защиты (от ротора СТ).

2.4.2 Приёмник температуры П-77

Приёмник температуры П-77 является чувствительным элементом системы, предназначенной для измерения температуры жидкостей и газов в пределах от минус 60°C до 260°C.

На двигателе устанавливается пять приёмников температуры П-77 (рис. 10).

Два приёмника температуры размещаются на коробке моторных агрегатов и используются для замера температуры масла на входе в двигатель; третий - на входном направляющем аппарате, в кармане на подводе масла к передней опоре, для контроля температуры масла на входе в переднюю опору; четвёртый - на суфлёре опоры турбины для замера температуры масла на выходе из двигателя; пятый - на суфлёре СТ для замера температуры масла на выходе из опоры СТ.

Приёмник по конструкции неразъёмный. В корпусе приёмника размещён теплочувствительный элемент - платиновая проволока диаметром 0,04 мм, намотанная на слюдяные пластины. Пластины обклеены с обеих сторон тонкими слюдяными прокладками и зажаты пружинящими пластинами. Для подключения приёмника к внешней цепи служит вилка под соединитель.

Изменение температуры вызывает изменение величины сопротивления чувствительного элемента приёмника, установленного в месте замера температуры. Изменение указанного сопротивления используется для контроля температуры.

Все приёмники температуры подключаются к системе САУ ГПА.

Установка на коробке моторных агрегатов Установка в кармане на ВНА

На суфлёре опоры турбиныНа суфлёре СТ

Рис. 10. Установка приёмника температуры П-77

2.4.3 Датчик температуры торможения П98

Датчик температуры торможения является чувствительным элементом системы, предназначенной для измерения температуры заторможенного потока воздуха. Датчик используется для измерения температуры воздуха на входе в двигатель. Датчик устанавливается на проставке с использованием стакана, защищающего датчик от обледенения (рис. 11).

Датчик представляет собой неразборную конструкцию, состоящую из термочувствительного элемента (бифилярно намотанной на изолированную трубку платиновой проволоки диаметром 0,04 мм, герметично закрытой наружной трубкой) камеры торможения, крепёжного фланца и соединителя. Концы платиновой проволоки подсоединены к контактам соединителя и образуют два независимых канала.

Принцип действия датчика основан на свойстве платиновой проволоки однозначно изменять своё электрическое сопротивление при изменении температуры окружающей среды. Поток воздуха, пройдя камеру торможения, воздействует на термочувствительный элемент. Изменение сопротивления его вызывает изменение протекающей в термочувствительном элементе силы тока, что используется для измерения температуры воздуха на входе в двигатель.

Датчик имеет два чувствительных элемента. Оба чувствительных элемента выдают информацию о температуре воздуха на входе в двигатель в САУ ГПА.

Рис. 11. Установка датчика П-98

2.4.4 Термопара Т-93

Термопара Т-93 (рис. 12) предназначена для измерения температуры выходящих газов из турбины газогенератора. Измеряемая термопарой температура соответствует температуре газа перед СТ.

Рис. 12. Термопара Т-93

Термопара имеет две пары термоэлектродов, материалом которых является хромель-алюминиевые сплавы. Термоэлектроды смонтированы в корпусе из жаростойкой стали и изолированы друг от друга и от корпуса (рис. 13). Сваренные попарно между собой хромель-алюминиевые термоэлектроды образуют горячие (рабочие) спаи.

Принцип действия термопары основан на изменении термоэдс при изменении температуры газов в зоне рабочих спаев. Поток газа, выходящий через корпус в пространство, окружающее горячие спаи, затормаживается, что даёт возможность измерять температуру заторможенного потока.

Термоэдс с одних спаев термопар выдаётся в систему измерения САУ ГПА и отображается на шкальном указателе. Термоэдс с других спаев выдаётся на вход регулятора температуры РТ-12-9А.

Рис. 13. Установка термопары Т-93

2.4.5 Дифференциальный сигнализатор давления СКК

Дифференциальный сигнализатор давления СКК предназначен для сигнализации о герметичности дозатора газа перед запуском двигателя. Он устанавливается на дозаторе газа (рис. 14).

Сигнализатор состоит из двух герметичных полостей разделённой мембраной и контактной группы. Первая полость через штуцер 1 сообщается с входом в камеру сгорания, вторая полость через штуцер 2 - с выходом дозатора. Для соединения с внешней электрической цепью сигнализатор имеет соединитель.

При наличии утечки газа через дозатор при неработающем двигателе на форсунках КС возникает перепад давления и, когда он достигает значения 0,02 кг/см2, мембрана сигнализатора прогибается настолько, что замыкает контактную группу и в САУ ГПА подаётся электрический сигнал напряжением 27 В.

Рис. 14. Дифференциальный сигнализатор давления СКК

2.4.6 Теплостойкий сигнализатор давления МСТ-18С

Теплостойкий сигнализатор давления МСТ-18С (рис. 15) предназначен для размыкания электрических цепей при достижении в системе давления топливного газа или масла свыше 18 кгс/см2.

На двигателе устанавливаются два сигнализатора МСТ-18С. Первый из них используется для контроля давления топливного газа, второй - для контроля давления масла в САР.

Сигнализатор имеет штуцер и вворачивается в специально предназначенное для него гнездо. Сигнализатор состоит из смонтированной в корпус мембраны и нормально замкнутых контактов. Корпус сигнализатора выполнен заодно со штуцером, с помощью которого сигнализатор подключается к источнику контролируемого давления и крепится на двигателе. К электрическому кабелю двигателя сигнализатор подключается посредством соединителя ШПЛМ-2.

Принцип работы основан на способности элемента - мембраны прогибаться на определённую величину в зависимости от воздействующего давления газа или жидкости.

Рис. 15. Сигнализатор давления МСТ-18С

При давлении топливного газа или масла в САР выше минимального уровня мембрана, прогибаясь, удерживает контакты в разомкнутом состоянии. При давлении топливного газа или масла в САР ниже минимально допустимого уровня прогиб мембраны уменьшается, и контакты замыкаются. В САУ ГПА выдаётся электрический сигнал напряжением 27 В.

2.4.7 Виброустойчивый теплостойкий сигнализатор давления типа МСТВ

Сигнализатор давления типа МСТВ (рис. 16) предназначен для замыкания электрической цепи при давлении жидкости или газа ниже заданного значения. Номинальное значение давления в кг/см2, при котором происходит срабатывание сигнализатора, указывается в его обозначении.

Рис. 16. Сигнализатор давления МСТВ

На двигателе устанавливается два сигнализатора указанного типа МСТВ-2,3 и МСТВ-1,1. Первый из них используется для сигнализации о давлении масла ниже допустимого уровня на входе в двигатель, второй - на входе в опору СТ.

Принцип работы сигнализатора основан на способности чувствительного элемента мембраны прогибаться на определённую величину в зависимости от воздействия давления жидкости, подведённой к прибору.

При давлении масла выше минимально допустимого уровня мембрана, прогибаясь, удерживает контакты в разомкнутом состоянии. При давлении масла ниже минимально допустимого уровня прогиб мембраны уменьшается, и контакты замыкаются.

2.4.8 Сигнализатор предельных оборотов СПО-2Р

Сигнализатор предельных оборотов СПО-2Р (рис. 17) предназначен для формирования сигнала на автоматическое выключение двигателя при достижении валом СТ предельно допустимых оборотов (6000 об/мин).

Рис. 17. Сигнализатор предельных оборотов СПО-2Р

Датчик частоты вращения ДЧВ-2500, установленный на коробке приводов ротора СТ, вырабатывает электрический сигнал, частота которого пропорциональна частоте вращения ротора СТ. Этот сигнал поступает на вход сигнализатора, установленного в блоке автоматики ГПА.

В сигнализаторе осуществляется преобразование входного сигнала и сравнение его с допустимым значением, задаваемым с помощью резонансного контура. При предельной частоте входного сигнала (3900 ± 60 Гц) резонансный контур возбуждается и приводит к срабатыванию порогового устройства, формирующего электрический сигнал на АВД напряжением 27 В, воспринимаемый САУ ГПА.

Контроль исправности сигнализатора осуществляется на работающем двигателе на режиме прогрева встроенным контролем, управляемым от САУ ГПА.

2.4.9 Система защиты от помпажа

Система защиты от помпажа включает в себя электронный сигнализатор помпажа ЭСП12-1 (рис. 18) и логарифмический датчик давления ДОЛ-16 (рис. 19).

Электронный сигнализатор помпажа предназначен для формирования сигнала на автоматическое выключение двигателя при помпажном срыве компрессора.

Рис. 18. Электронный сигнализатор помпажа ЭСП12-1

Помпажный срыв в компрессоре характеризуется возникновением пульсаций давления за компрессором, которое с помощью датчика давления ДОЛ-16 преобразуется в колебания электрического сигнала. Этот сигнал поступает на вход сигнализатора, установленного в блоке автоматики ГПА.

В сигнализаторе осуществляется фильтрация входного сигнала в диапазоне частот 4…40 Гц, усиление и селекция его по амплитуде. В случае если амплитуда сигнала превышает заданное значение, формируется электрический сигнал на АВД напряжением 27 В, воспринимаемый САУ ГПА.

Контроль исправности сигнализатора осуществляется как на работающем, так и на выключенном двигателе встроенным контролем, управляемым от САУ ГПА.

2.4.10 Логарифмический датчик давления ДОЛ-16

Логарифмический датчик давления ДОЛ-16 (рис. 19) предназначен для измерения избыточного давления воздуха с выдачей сигнала переменного тока, пропорционального логарифму измеряемого давления. Датчик устанавливается на переднем фланце задней оболочки.

Работает по схеме дифференциального трансформатора. Воздух под давлением подаётся в штуцер приёмного узла, воздействует на мембрану, вызывая её перемещение. Перемещение мембраны через шток изменяет зазоры в магнитных цепях катушек, что приводит к изменению выходного напряжения. Выходной сигнал, снимаемый с контактов 3-4 соединителя, поступает на вход электронного сигнализатора помпажа ЭСП12-1. К контактам 1-2 соединителя подводится питание с сигнализатора помпажа ЭСП-12. Логарифмический закон изменения выходного сигнала достигается с помощью регулировочных винтов и кольцевого упора. Благодаря этому уменьшается влияние статической составляющей измеряемого давления на значение выходного сигнала, характеризующего помпажное явление.

Рис. 19. Логарифмический датчик давления ДОЛ-16 и его принципиальная схема

2.4.11 Регулятор температуры РТ-12-9А

Регулятор температуры РТ-12-9А предназначен для ограничения температуры газов за турбиной газогенератора, а также для выдачи электрической команды на останов двигателя при превышении предельной температуры газов. Регулятор устанавливается в отсеке автоматики ГПА.

Датчиками температуры для регулятора являются четыре термопары Т-93 (рис. 12) градуировки хромель-алюмель, соединённые по параллельной схеме в общий коллектор.

Регулятор состоит из двух каналов. Первый канал работает как ограничитель температуры, второй канал как сигнализатор опасной температуры. На основном режиме работы двигателя регулятор имеет настройку по первому каналу 620ºС, по второму - 650ºС. На запуске по команде с блока автоматического запуска БАЗ-16 настройка регулятора уменьшается и составляет по второму каналу 570ºС. Термоэдс с термопар поступает на вход регулятора, сравнивается с эталонным источником опорного напряжения задатчиков первого и второго каналов. Разностный сигнал усиливается, преобразуется в управляющий сигнал и подаётся по первому каналу в цепь останова двигателя.

Контроль исправности регулятора осуществляется как на работающем, так и на остановленном двигателе встроенным контролем, управляемым от САУ ГПА.

2.4.12 Аппаратура контроля вибрации ИВ-Д-ПФ-2

Аппаратура контроля вибрации ИВ-Д-ПФ-2 (рис. 20) предназначена для непрерывного контроля вибросостояния двигателя, индикации виброскорости и частоты вращения роторов.

Рис. 20. Аппаратура контроля вибрации ИВ-Д-ПФ-2

Виброскорость измеряется в мм/сек, частота вращения - в Гц (высвечивается на индикаторе). В аппаратуре предусмотрены устройства для включения световой сигнализации «Вибрация выше нормы», «Вибрация опасная» и выдачи сигнала на автоматическое выключение двигателя в случае достижения предельно допустимого значения виброскорости, а также выдачи аналоговых сигналов, пропорциональных виброскорости, в САУ ГПА. Аппаратура имеет встроенную систему для контроля.

В комплект аппаратуры контроля вибрации входят электронные блоки БЭ-38-2, БЭ-39-2, три датчика вибрации МВ-04-1, а также кабель для соединения датчиков с электронным блоком БЭ-38-2, винты для крепления датчиков на двигателе.

Датчики вибрации устанавливаются на кронштейнах на ПО, задней опоре (ЗО) газогенератора и на СТ (рис. 21).

Электронный блок БЭ-38-2 устанавливается в блоке автоматики ГПА.

Электронный блок БЭ-39-2 устанавливается на стойке монтажного оборудования системы А-705-15-09.

Датчик вибрации вырабатывает электрические заряды, величина которых пропорциональна виброускорению. В блоке БЭ-38-2 эти заряды преобразуются в напряжение постоянного тока, пропорциональное величине контролируемой виброскорости. С выхода БЭ-38-2 напряжение постоянного тока через линию связи поступает в блок БЭ-39-2, где после соответствующего преобразования подаётся общее для всех каналов цифровое табло. Все три канала индикации виброскорости ПО, ЗО, СТ устроены одинаково. Переключение каналов осуществляется соответствующими переключателями, расположенными на передней панели блока БЭ-39-2.

Сигнал датчика частоты вращения, пропорциональный частоте вращения ротора, поступает на вход блока БЭ-38-2, где он формируется, делится, в результате чего на выходе этого блока получается последовательность импульсов, частота следования которых соответствует частоте вращения ротора.

Установка на передней опореУстановка на задней опоре

Установка на опоре СТ

Рис. 21. Установка датчиков вибрации МВ-04-1

В аппаратуре предусмотрены системы встроенного контроля:

система контроля канала измерения виброскорости;

система контроля индикаторной части канала частоты вращения;

система контроля индикаторной части канала виброскорости.

Включение системы контроля канала измерения виброскорости производится нажатием кнопки, расположенной на панели САУ ГПА. При этом от входов всех трёх каналов отключаются сигналы датчиков вибраций и подаётся сигнал генератора блока БЭ-38-2. При исправной аппаратуре показния индикатора виброскорости находятся в пределах 75-95 мм/сек и табло «Вибрация выше нормы», «Вибрация опасная» включены.

Включение контроля индикаторной части канала виброскорости производится нажатием кнопки «Контроль». При исправной индикации части аппаратуры показания индикатора должно соответствовать значению 95…99 мм/сек.

Включение системы контроля индикаторной части канала частоты вращения производится нажатием кнопки «Контроль» (на панели блока БЭ-39-2) проверяемого канала НД, ВД, СТ. При этом показания цифрового табло при времени измерения 1 сек. составляет 512 ± 1 Гц.

В блоке БЭ-38-2 имеются пороговые устройства, настроенные на уровни срабатывания, соответствующие виброскорости 40 мм/сек и 60 мм/сек. При срабатывании пороговых устройств на передних панелях блоков БЭ-39-2, БЭ-38-2 включается световая сигнализация «Вибрация выше нормы», «Вибрация опасная». Кроме того, формируются сигналы в виде замыкания контактов для включения сигнализации на панели САУ ГПА, а также для автоматического выключения двигателя при достижении виброскорости 60 мм/сек.

В блоке БЭ-39-2 предусмотрено формирование трёх аналоговых сигналов 0…5 В, пропорциональных виброскорости на ПО, ЗО, СТ, для выдачи в САУ ГПА.

2.4.13 Теплостойкий сигнализатор давления МСТ-14АСМ

Теплостойкий сигнализатор давления МСТ-14АСМ входит в состав гидромеханической системы защиты от раскрутки СТ и предназначен для выдачи электронного сигнала в САУ ГПА о причине выключения двигателя при срабатывании системы.

Сигнализатор состоит из смонтированных в корпус мембраны и нормально разомкнутых контактов.

При срабатывании гидромеханической системы защиты от раскрутки СТ давление топливного газа на входе в сигнализатор становится выше 14 кгс/см2, прогиб мембраны увеличивается и контакты замыкаются. В САУ ГПА выдаётся электрический сигнал напряжением 27 В.

Всё выше перечисленное относится к средствам контроля за работой НК-16СТ, что в немалой степени способствует выявлению и предупреждению повреждений и отказов в работе газогенератора.

2.4.14 Магнитная пробка с клапаном

Магнитная пробка с клапаном (рис. 22) предназначена для улавливания ферромагнитной стружки в случае разрушения деталей узлов трения опор компрессора, турбины, свободной турбины, коробки приводов и определения места разрушения.

Магнитные пробки устанавливаются в магистралях слива масла из передней опоры, из суфлёра опоры турбины, в поддоне КПМА в специальных угольниках, тройниках и переходниках.

Конструктивно магнитная пробка с клапаном состоит из двух основных узлов: собственно магнитной пробки и клапана, служащего для удержания масла при демонтаже магнитной пробки. В корпус магнитной пробки вклеен постоянный магнит.

Рис. 22. Магнитная пробка с клапаном

2.4.15 Сигнализатор наличия стружки СНС-25Р

Сигнализатор наличия стружки СНС-25Р (рис. 23) предназначен для выдачи сигнала на табло при наличии в масле двигателя стружки.

Состоит из корпуса и пакета.

Представляет собой набор изолированных друг от друга пластин, является чувствительным элементом сигнализатора. Включается в электроцепь постоянного тока последовательно посредством соединителя.

Работа: появившаяся в масле металлическая стружка заполняет зазоры между пластинами датчика, и электроцепь СНС замыкается. Включается сигнальное табло «Стружка в масле».

Рис. 23. Сигнализатор наличия стружки СНС-25Р

3. Техническое обслуживание двигателя НК-16СТ

Техническое обслуживание двигателя при эксплуатации включает в себя:

межрегламентный осмотр (проводится после первого опробования двигателя и каждой аварийной остановки ГПА);

регламентные работы (проводятся после каждых 1000 ± 100 час. наработки двигателя);

замену узлов и агрегатов (проводится при необходимости);

регулирование агрегатов (проводится при необходимости).

3.1 Межрегламентный осмотр

Межрегламентный осмотр включает в себя:

А. Осмотр входного очистительного устройства (ВОУ), всасывающей камеры, входного коллектора двигателя на отсутствие посторонних предметов.

Б. Осмотр кока двигателя на отсутствие вмятин.

В. Осмотр лопаток ВНА, рабочих лопаток I ступени КНД.

Г. Осмотр топливных, масляных, воздушных трубопроводов на отсутствие течи и замасливания, на целость контровок и элементов крепления, на отсутствие вмятин, забоин и других механических повреждений.

Д. Осмотр электрожгутов электропроводки двигателя на целость контровки соединителей, элементов крепления, на отсутствие повреждений жгутов и кабелей. Проверки отсутствия качки соединителей.

Е. Осмотр агрегатов маслосистемы, системы топливопитания и регулирования на отсутствие течи, механических повреждений, целости контровок и узлов крепления.

Ж. Осмотр стыков корпусов двигателя на отсутствие ослабления затяжек болтов, гаек, нарушения контровки.

З. Проверки наличия радиального зазора между наружным кольцом опоры СТ и выхлопной улиткой. Зазор должен быть не менее 9 мм.

И. Проверки узлов крепления двигателя к подмоторной раме, узлов крепления подмоторной рамы к раме турбоблока, наличие и правильность контровок.

К. Взятие из коробки приводов моторных агрегатов двигателя и маслобака проб масла на частичный анализ. Результаты записываются в суточную ведомость.

Л. Осмотр основного маслофильтра двигателя, маслофильтра СТ и маслофильтра системы автоматического регулирования.

М. Осмотр магнитных пробок в маслосистеме двигателя.

Н. Проверка уровня масла в маслобаке, при необходимости дозаправить.

О. Проверки надёжности крепления в специальных кронштейне и держателе на двигателе ответных импульсных замерных трубок и жгутов электропроводки ГПА.

П. Осмотр узла задней подвески ГГ и осевой фиксации двигателя к раме на отсутствие дефектов, ослабления затяжки болтов, ослабления контровок, а также дефектов заклёпочных соединений.

Р. Устранение замечаний, выявленных при осмотре.

3.2 Регламентные работы

Регламентные работы включают:

. В случае необходимости произвести промывку газовоздушного тракта двигателя по методике завода-изготовителя. Решение о промывке принимается совместно представителями эксплуатации и завода-изготовителя по результатам оценки изменения параметров двигателя в процессе его работы в период между регламентными работами.

. Осмотра газовоздушного тракта двигателя.

. Осмотра и промывки сигнализатора наличия стружки в масле.

. Взятие пробы масла на полный анализ.

. Осмотра и промывки фильтра стопорного клапана и фильтра электропневмоклапана стопорного клапана.

. Промывки внутренних полостей датчиков ДОЛ-16, ССК, датчика МСТ-18С замера давления топливного газа на входе в двигатель, сигнализатора МСТ-14АСМ.

. Проверки срабатывания датчика ССК.

. Осмотра фильтроэлементов стартера.

. Выполнения внешнего осмотра датчиков контроля двигателя ДЧВ-2500А, ПП-77, П-98, ССК, МСТ-18С, МСТ-14АСМ, МСТВ, ДОЛ-16, МВ-04-1, обратив особое внимание на: отсутствие внешних повреждений, герметичность мест стыковки датчиков с системами и агрегатами, целость узлов крепления и наличие контровок, отсутствие качки соединений и наличие контровок соединителей.

. Выполнить проверку работы датчиков контроля двигателя. Проверку выполнять по документации ГПА.

. Осмотра и промывки фильтра в магистралях ГПА, подводящих масло к двигателю от масляного бака и от маслоохладителя. Работы выполняются по документации ГПА.

. Выполнение промывки маслобаков системы маслообеспечения двигателя и замену масла в системе маслообеспечения двигателя.

. При первом запуске после окончания регламентных работ проверяют срабатывание гидромеханической защиты СТ от раскрутки (ограничителя оборотов СТ и сигнализации системы).

. Осмотра и промывки форсунки и угольника на коробке приводов СТ, начиная с наработки 5000 ч. через каждые 2000 часов, руководствуясь техкартой.

. Устранения всех замечаний, выявленных в ходе регламентных работ.

Для сравнения, на двигателе НК-8-2 ТО включает в себя оперативные виды ТО (предполётное и послеполётное ТО) и периодическое техническое обслуживание. Оперативное, в основном, включает в себя:

осмотр узлов крепления;

подтекания топлива, масла;

проверку состояния входных каналов;

плавности перемещения РУД;

напряжение бортовой сети;

уровень масла в маслобаке двигателя.

Периодическое ТО выполняется через каждые 250 ± 25 ч. работы двигателя и включает в себя:

выполнение работ, предусмотренных послеполётным осмотром;

осмотр узлов крепления двигателя на самолёте;

осмотр и промывку топливного фильтра насос-регулятора НР-8-2;

осмотр и промывку воздушного фильтра автомата запуска;

проверку люфтов в системе управления двигателем;

проверку соответствия показания указателя положения рычага управления двигателем показаниям лимба насос-регулятора НР-8-2. При необходимости регулируют;

осмотр и промывку на ультразвуковой установке топливного фильтра низкого давления;

после осмотра топливных фильтров заполняют топливную систему;

проверку внешним осмотром, нет ли видимых повреждений и вмятин на сигнализаторе обледенения ДО-206-1, надёжность крепления, очистку входных отверстий приёмной и эталонной трубки чистой салфеткой, проверку давления срабатывания и исправность цепей нагревателей;

осмотра и промывки фильтра-сигнализатора 82.652.000;

выполняют ложный запуск для проверки герметичности соединений;

осмотр двигателя и затем его опробование.

4. Разработка методических подходов по оценке технического состояния ГТД с использованием спектрального, феррографического анализа проб масла

Все выше перечисленные средства достаточно полно отображают контроль работы двигателя. Но проблема всё-таки существует, и она стоит остро - это оценка технического состояния опор роторов и приводов агрегатов, омываемых смазочным маслом.

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

температура вспышки;

вязкость и наличие механических примесей.

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

спектральный (атомно-эмиссионный, рентгенофлуоресцентный);

феррографические методы анализа.

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

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

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

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

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

Основные преимущества атомно-эмиссионного метода являются:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 2

Температура дуги, обеспечивающая максимальную интенсивность излучения спектральных линий

4.2 Рентгенофлуоресцентный метод определения концентрации металлов в смазочных маслах

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

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

4.3 Рентгенофлуоресцентная аппаратура для проведения анализа

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

Рис. 25. Блок-схема рентгеновского спектрометра:

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

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

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

4.4 Феррографический метод оценки технического состояния авиадвигателей

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

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

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

Несмотря на длительное применение спектрального и феррографического метода (более 25 лет), в трибодиагностике газотурбинных двигателей остаются существенные проблемы. Так, по данным НПО «Сатурн», спектральный анализ выявляет не более 11% двигателей Д-30КП / КУ / КУ-154 с дефектами маслосистемы. В ОАО «Авиадвигатель» по результатам спектральных и феррографических измерений ни разу не удалось предотвратить дефекты подшипников трансмиссии в двигателях ПС-90А.

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 3

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

d, мкм234568101520304050n, число частиц372617201615191584412N, %19,213,58,810,38,37,89,87,84,12,12,16,2

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

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

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

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

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

1 - Conostan;

- частицы износа;

- Cu (5 мкм);

4 - Cu (10 мкм)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 4

Результаты анализа проб масел, аттестованных спектрометрами МОА и Spectroil

Содержание металлов в масле, млн -1 (г/т)FeCrNiCuAlAgMgVПроба № 2 Анализаторы - Spectroil - MOA1,6 0,65 0,430,028 0,2 0,00,026 0,0 0,00,50 0,2 0,121,64 0,25 0,020,016 0,0 0,00,28 0,0 0,010,0017 0,3 -Проба № 3 Анализаторы - Spectroil - MOA3,22 1,35 0,810,055 0,2 0,00,053 0,0 0,021,0 0,55 0,23,28 0,45 0,110,032 0,0 0,00,55 0,0 0,040,0034 0,0 -

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

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

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

Таблица 5

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

№ дв.Дата анализаAgAlCrCuFeMgNiV42-04530.04.20020,040,130,090,050,080,050,060,4542-04501.06.20020,030,180,210,110,070,050,260,5142-04528.06.20020,050,230,000,040,000,010,010,79

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

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

5. Сцинтилляционный метод анализа проб масла

.1 Принцип действия сцинтилляционного спектрометра

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

Рис.27. Блок схема сцинтилляционного спектрометра на три канала

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1) элементная концентрация растворенного металла;

2) элементная концентрация износных частиц;

3) суммарная концентрация растворенного элемента и износных частиц;

4) число металлических частиц, состоящих из нескольких элементов;

5) число металлических частиц, состоящих из одного элемента;

6) общее число частиц;

7) средний размер частиц износа (элементный);

8) состав частиц (тип сплава).

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

Источник возбуждения спектров при сцинтилляционных измерениях должен удовлетворять следующим требованиям:

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

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

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

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

5. Низкая стоимость и доступность плазмообразующего газа.

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 28. Схематичная конструкция СВЧ плазмотрона волноводного типа

) прямоугольный волновод для подачи СВЧ мощности;

) разрядная камера, выполненная из кварцевого стекла;

) штуцер для тангенциальной подачи плазмообразующего газа;

) факел плазмы;

) штуцер для подачи в плазму частиц с потоком транспортирующего газа

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

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

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

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

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

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

Рис. 29. Схематичная конструкция СВЧ плазмотрона циклонного типа

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

- СВЧ плазма

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

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

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

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

5.2 Диагностирование авиационных ГТД по результатам сцинтилляционных измерений параметров частиц износа

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

1) общая оценка технического состояния двигателя;

2) выявление дефектного узла, агрегата;

3) оценка возможности дальнейшей эксплуатации двигателя.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Результаты микрорентгеноспектрального анализа представлены в табл. 6.

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

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

Таблица 6

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

Таблица 7

СР - содержание элемента в растворённой форме;

СЧ - содержание элемента в частицах г/т;

КР - крупность частиц износа в условных единицах

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

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

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

Правильность сделанного вывода иллюстрируется следующим примером:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 8

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Для режима «реверс» характерным признаком оказались частые скачки всех определяемых параметров в широком интервале величины, но по содержанию элементов, не выходящих за допустимые пределы. Так, интервал изменений составил для CFe = 0,2-1,9 г/т, ССu = 0,1-0,4 г/т, Nо6щ = 30-660 см-3. К тому же рост величины параметра быстро сменяется его падением, образуя чередующиеся во времени отдельные пики. Исходя из этого, можно предположить, что появление пиков и скачков параметров в режиме «реверс» связано с увеличением вибрационных нагрузок, приводящих как к повышенному износу, так и к вымыванию из «застойных зон» маслосистемы двигателя осевших там ранее крупных частиц износа. Характерной особенностью режима является также появление большого количества «кварцевых» частиц, при этом содержание Si в пробах могло увеличиваться до 10 г/т. Наличие частиц износа и «кварца» подтверждается фотографиями феррограмм из режима «реверс».

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

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

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

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

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

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

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

5.3 Оценка погрешности при сцинтилляционных измерениях концентрации и числа частиц металлов в смазочном масле

Погрешность, возникающая при измерении сцинтилляционным методом концентрации металлов в смазочных маслах, оценивалась с использованием набора образцов аттестации (ОА) согласно методике.

ОА готовились введением в «чистое» масло частиц порошка продуктов износа, которые получали по технологии. С помощью таких образцов оценивалась погрешность измерения концентрации металлов, находящихся в масле в виде частиц микронных размеров.

Реальные рабочие пробы масла могут содержать металлическую примесь в виде истинного раствора и в виде субмикронных частиц, которые, как и истинный раствор, дают постоянный сигнал. Поэтому в набор ОА для оценки характеристики погрешности определения растворённой формы примеси были включены образцы, содержащие истинные растворы элементов, приготовленные введением в «чистое» масло стандартного образца Conostan-10.

За результат анализа принималось среднее арифметическое значение содержания, найденное из трёх параллельных измерений при объёме разовой аналитической навески, равной 1 мл. Для различных форм нахождения примесей в масле (в виде частиц или в виде раствора) характеристики погрешности измерения их содержаний оценивалось раздельно, поскольку эти формы нахождения элементов определяются на сцинтилляционном спектрометре по отдельности, а соотношение содержаний этих форм является одним из важнейших диагностических признаков технического состояния двигателя.

Верхнее содержание примесей в ОА по железу составило 9 г/т, нижнее ограничивалось пределом обнаружения элементов. Отметим, что наибольшее допустимое - «критическое» содержание Fe в масле для авиадвигателей составляет 4-6 г/т и находится внутри исследуемого диапазона. Отметим также, что соотношения концентраций входящих в образцы аттестаций элементов, заданы изначально в исходном материале. Однако это не является недостатком, т.к. соотношения соответствуют соотношениям в смывах фильтров, а следовательно, и в пробах масла.

Для погрешности измерения концентрации примесей, находящихся в виде частиц, характерны следующие особенности:

. В диапазоне наименьших определяемых концентраций 0,05-0,1 г/т, близком к пределу обнаружения, границы интервалов погрешности результатов анализа по всем элементам составляют 100 и более процентов найденной величины.

. С ростом концентрации примеси границы погрешности сужаются и уже для диапазона 1,0-3,0 г/т составляют всего 30-20% найденной величины.

. Исключение составляет алюминий, для которого погрешность аномально велика и который представлен в продуктах износа частицами сравнительно крупного размера (в основном n · 10 мкм). Похожие, хотя и не столь ярко выраженные, признаки характерны для магния.

Для погрешности измерения содержания примесей, находящихся в виде раствора и субмикронных частиц, характерны следующие особенности:

. Пределы обнаружения элементов значительно ухудшились по сравнению с пределами обнаружения элементов, находящихся в виде частиц. Так, в интервале содержаний 0,05-0,1 г/т сигнал вообще не регистрируется, а для содержаний порядка 0,3 г/т границы интервала погрешности составляют 100 и более процентов измеряемой величины, что является следствием перехода от сцинтилляционных измерений импульсных сигналов к измерению постоянного сигнала.

. С увеличением содержания от 0,3 г/т до 1,0 г/т и появлением уверенно регистрируемого сигнала погрешность измерений резко уменьшается, и уже при содержаниях около 3,0 г/т границы интервала погрешности составляют лишь первые единицы процентов.

Выводы и рекомендации

Как показывают результаты исследования, способ подачи пробы в дуговой разряд на вращающемся электроде для измерения содержания металлической примеси, находящейся в пробах масел в виде частиц, имеет серьёзные ограничения:

влияние размеров частиц в анализируемой пробе на величину аналитического сигнала. Градуирование спектрометра любым однотипным стандартным образцом (Conoston, СО на окислах металлов, на частицах износа и т.д.) допускает значительные систематические погрешности при измерении содержания. Поэтому создание единого базового СО не повысит эффективность диагностирования;

резкое снижение наклона градуировочного графика (чувствительности) при увеличении размеров частиц износа. Как показано в табл. 1, в пробе масла исправного двигателя всегда присутствуют достаточно крупные частицы, которые определяют содержание металла в пробе и погрешность, вызванную неоднородным их распределением. Поэтому нельзя утверждать, что при использовании результатов спектрального анализа для диагностики ГТД отсутствует необходимость абсолютного определения содержания металла в масле (главное - вовремя заметить начало аварийного износа по его резкому повышению);

единый базовый СО может использоваться только при проверке работоспособности спектрометра - соответствия его параметров штатным режимам, но не для повышения эффективности измерения содержания металла в реальных пробах масла;

высокие пределы обнаружения атомно-эмиссионных спектрометров при «прямых» измерениях содержания металла в пробах масел. С помощью МФС-7, МОА и др. спектрометров можно определить содержание только основы сплавов, прежде всего Fe и Cu. При этом указанные в нормативных документах значения погрешностей не соответствует действительности (значительно занижены) и должны быть уточнены. Резервы по снижению пределов обнаружения в атомно-эмиссионных спектрометрах при подаче пробы вращающимся электродом в угольную дугу исчерпаны. Надёжное определение содержание основы сплавов и легирующих компонентов возможно только за счёт повышения стабильности источника возбуждения спектров, отказа от угольных электродов, улучшения условий испарения, а также применения других схем формирования и регистрации сигнала.

Таким образом, сцинтилляционный спектрометр позволил более тонко, с большим разрешением отследить весь цикл стендовых испытаний. Отметим, что зафиксированные сцинтилляционными измерениями скачки параметров нигде не выходили за предельные величины, несмотря на появление крупных частиц, шаров и стружки. По-видимому, появление на феррограммах шаров и стружки не является достаточным признаком аварийного износа, так как разборка двигателя после завершения испытаний показала его нормальное рабочее состояние.

Снижение пределов обнаружения при использовании сцинтилляционного метода регистрации по сравнению с интегральным пропорционально ближе , где:

Т - время экспозиции при интегральном приёме,

? - длительность отдельного импульса излучения,

K = 0,5-0,7 - коэффициент пропорциональности.

Тогда при времени экспозиции, равном 60 с, и ? = 10-3 сцинтилляционная регистрация сигнала даёт снижение пределов обнаружения на два порядка величины по сравнению с интегральным приёмом.

Список используемой литературы

1.С.П. Зарецкий «Диагностика газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом».

2.«Газотурбинный двигатель НК-16СТ. Руководство по технической эксплуатации», книга 3: раздел 9: «Система контроля работы двигателя».

.«Надёжность, диагностика, контроль авиационных двигателей» / под редакцией Шенеля В.Т. - Рыбинск: РГАТА, 2001 г. - 351 с.

.И.Г. Хаустов, Е.Л. Фельдман «Авиационный двухконтурный двигатель НК-8-2», Москва: «Машиностроение», 1974 г.

.Кюрегян С.К. «Атомный спектральный анализ нефтепродуктов», Москва: «Химия», 1985 г. - ст. 203.

.«Двигатель Д-30КП / КУ / КУ-154. Анализ досрочного съёма двигателей, при исследовании которых заявленный эксплуатирующей организацией дефект не подтвердился». Техническая справка № 44-51/53/594515. ОАО «Рыбинские моторы», 2000 г., ст. 9.

.«Двигатель ПС-90А. Анализ статистики и диагностических признаков дефектов роликового подшипника ТВД». Техническая справка № 34676. ОАО «Авиадвигатель», 1999 г., ст. 32.

.Юдин А.А., Степанов В.А. «Рекомендации по нормированию критериев оценки техсостояния ГТД по результатам спектрального анализа масла». «Конверсия в машиностроении», 2002 г., № 2.

.Методика «Отраслевая система обеспечения единства измерений при диагностировании состояния авиадвигателей методом спектрального анализа».

АКАДЕМИЯ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ Факультет КФ ДИПЛОМНАЯ РАБОТА (Пояснительная записка) Тема: «Диагностирование д

Больше работ по теме: