Глава 12 - Системы ГТД

Рисунок 12.3.6.2.3_1 – Вихретоковый дефектоскоп и средство доставки преобразователя 1 – дефектоскоп с индикато-

ром; 2 – преобразователь и средство доставки; 3 – наушники оператора

На Рис. 12.3.6.2.3_1 показан вихретоковый дефектоскоп и средство доставки преобразователя. Дефектоскоп 1 обрабатывает электрический сигнал от преобразователя 2, подводимого к исследуемому участку с помощью средства доставки, и обеспечивает пропорциональное отклонение стрелки индикатора, а также выдает акустический сигнал на наушники 3.

12.3.6.2.4 - Капиллярный метод диагностирования с применением портативных аэрозольных наборов

В практике эксплуатации авиационных ГТД применяются также капиллярные методы. Способы применения различны. Известно применение в условиях эксплуатации метода цветной дефектоскопии совместно с традиционной технологией для диагностирования состояния корпуса топливного фильтра. Хорошие результаты достигаются при применении для таких исследований портативных аэрозольных комплектов отечественного или импортного производства. В особых случаях применение капиллярного метода (типа ЛЮМ-А) для исследования труднодоступных мест возможно при использовании специального эндоскопа с инструментальным каналом и источником ультрафиолетового освещения. Такие эндоскопы выпускаются японской фирмой «OLYMPUS».

12.3.6.2.5 - Диагностирование состояния проточной части ГТД перспективными методами

Метод электростатического диагностирования

Существует метод электростатического диагностирования (электростатического зондирования) газовоздушного тракта ГТД. Метод основан на регистрации разности потенциалов, возникающей между чувствительным элементом электростати- ческого датчика и корпусом ГТД в результате выноса газовым потоком заряженных частиц, образующихся при прогарах и поломках элементов конструкции, эрозионном износе газового тракта, частиц конденсированной фазы продуктов сгорания топлива, а также песка и частиц воды.

Рассматриваемый метод – это единственный практически реализованный метод выявления на- чальной стадии процесса разрушения элементов проточной части работающих авиационных ГТД, ракетных двигателей и других теплоэнергетических установок в реальном масштабе времени. За рубежом (в США) метод является штатным для диагностирования СУ вертолетов. Например, появление трещины на рабочей лопатке компрессора не приводит к изменению газодинамических и вибрационных параметров, которое может быть выявлено методом параметрической диагностики. Но развитие трещины приведет к обрыву лопатки, который вызовет значительные вторичные разрушения проточной части и, как следствие, к существенному увеличению стоимости ремонта. Выявление трещины электростатическим методом позволит вовремя остановить двигатель и при ремонте заменить только лопатку с трещиной.

Электростатический метод позволяет прогнозировать большую группу таких отказов, которые раньше считались непредсказуемыми, а также почти все отказы, которые можно прогнозировать традиционными методами анализа тенденций изменения параметров проточной части ГТД – анализом трендов.

Реализация электростатического метода диагностики при испытании и эксплуатации ГТД позволяет создать автоматизированную систему обнаружения и регистрации твердых и жидких дисперсных частиц в газе в реальном масштабе времени, что обеспечивает улучшение технического обслуживания и ремонта двигателей, определение границ работоспособности и предаварийного состояния при работе ГТД.

В качестве датчиков в различных сечениях двигателя могут быть применены емкостные датчики как с экранами для центральных электродов, повы-

791

Глава 12 - Системы ГТД

Рисунок 12.3.6.2.5_1 - Схема возможной установки датчиков электростатического диагностирования в проточной части двигателя ПС-90ГП-1 для ГТУ

Рисунок 12.3.6.2.5_2 - Схема реализации классического способа ДФМ 1 – ЭЛТ; 2 – экран ЭЛТ с изображением сигнала

792

Глава 12 - Системы ГТД

шающих эффективность работы датчиков, так и без них [12.3.9.30]. На входе в двигатель и на выходе из него могут быть установлены интегральные датчи- ки, представляющие собой конструкции с кольцевым электродом или кольцевые конструкции с сет- чатым электродом, перекрывающие всю площадь соответствующих сечений.

На Рис. 12.3.6.2.5_1 показана схема возможной установки датчиков электростатического диагностирования в проточной части ГТД. Датчики целесообразно устанавливать в каждом из шести указанных сечений.

Диагностирование предельных амплитуд колебаний рабочих лопаток компрессора ГТД

Эксплуатация по техническому состоянию авиационных ГТД, наземных ГТУ и других турбомашин свидетельствует о большой актуальности применения методов и средств диагностирования, которые дают оперативную информацию для оценки фактического состояния объекта и его мониторинга - прогнозирования технического состояния с целью определения тренда и принятия необходимых решений при обнаружении предаварийных состояний. Для этих целей может быть использован бесконтактный дискретно-фазовый метод (ДФМ) и соответствующая аппаратура для регистрации и обработки результатов диагностирования.

Схема измерений в классическом варианте ДФМ [12.3.9.31] приведена на Рис. 12.3.6.2.5_2. Здесь использованы следующие обозначения:

-ÄÎ - оборотный датчик,

-ÄÊ - корневой датчик,

-ÄÏ - периферийный датчик,

-NÐ - частота вращения ротора турбомашины,

-К - корневые выступы-возбудители с угло-

вым шагом рабочих лопаток të на специально смонтированном в роторе кольце,

-О - оборотный выступ,

-2ÀÌÀÕ - размах колебаний концов лопаток,

-l – длина яркой линии,

-ГНР - генератор непрерывной развертки горизонтальных пластин-электродов электронно-лу- чевой трубки (ЭЛТ), запускающийся от импульсного сигнала с оборотного датчика ДÎ,

-ГЖРгенератор ждущей развертки вертикальных пластин-электродов ЭЛТ 1, запускающийся от импульсного сигнала с корневого датчика ДÊ,

-М-модулятор, дающий подсветку луча ЭЛТ от импульсного сигнала с периферийного датчика

ÄÏ È в результате вращения колеса с лопатками на вертикальных строках ЭЛТ возникает совокупность ярких точек, которая в результате послесве- чения экрана преобразуется в яркую метку.

При работе ГТД на экране ЭЛТ 2 появляются вертикальные строчки по числу рабочих лопаток исследуемой ступени компрессора с яркими метками различной длины, соответствующей размаху колебаний конца конкретной лопатки.

Однако, достоверная оценка предельно-допу- стимых величин амплитуд колеблющихся лопаток в эксплуатации для использования классического метода ДФМ, как правило, связана с большими техническими трудностями, вызванными доработкой статорной части при частичной или полной разборке ГТД, использованием сложной технологической оснастки и большими денежными затратами. Все это в значительной степени сдерживает широкое применение классического варианта ДФМ.

Существует принципиально новый метод, основанный на базе ДФМ, довольно просто и эффективно решающий актуальную задачу бесконтактного диагностирования предельных колебаний лопаток компрессора ГТД в эксплуатации. Новый способ измерения параметров колебаний лопаток [12.3.9.32] позволяет при помощи только одного периферийного импульсного датчика получить ис- черпывающую достоверную информацию об амплитудах колебаний, а значит и наиболее опасных напряжениях в корневом сечении для всех рабочих лопаток любой ступени турбомашины, колеблющихся по изгибной или крутильной формам колебаний с амплитудами не менее 0,25 мм. Сущность способа заключается в замене сигналов от оборотного и корневого датчиков импульсами от специальных электронных устройств (генераторов импульсов), выполняющих роль электронных датчиков (квазидатчиков) и обработке этих сигналов по специальному алгоритму с использованием программы вычислительного модуля. Эти импульсы синхронизированы с вращением ротора и числом лопаток в исследуемой ступени. Для практической реализации предложенного способа в корпус компрессора снаружи над концами рабочих лопаток одной или нескольких ступеней устанавливаются импульсные датчики в зависимости от материала лопаток индукционного или емкостного типа. При этом основные проблемы, как правило, сводятся к обеспечению долговечности и помехоустойчивости импульсных датчиков. Для исключения этих проблем в качестве индукционных датчиков рекомендуется использовать датчики оборотов типа ДО-5, применявшиеся в ракетной технике, а в ка- честве емкостных - датчики на базе авиационных свечей зажигания типа СД-96 со стандартными контактными устройствами. Опыт применения импульсных датчиков указанных типов для бескон-

793

Глава 12 - Системы ГТД

тактных измерений колебаний рабочих лопаток ГТД показал их достаточную устойчивость к помехам и требуемую долговечность.

Диагностирование напряженного состояния деталей ГТД неразрушающими методами

Определение величин монтажных и технологических остаточных напряжений в ответственных деталях ГТД (дисках и лопатках из магнитных материалов, валах, шестернях, подшипниках) неразрушающими методами диагностирования является актуальной задачей для эксплуатации. Одним из таких методов в настоящее время является основанный на эффекте Баркгаузена магнито-шумовой метод, позволяющий оценивать величину и знак напряжений в поверхности магнитных материалов по спектру шумового сигнала. В специальной литературе, а также и в Российских стандартах этот метод классифицирован как метод эффекта Баркгаузена (МЭБ), названный так в честь немецкого ученого - первооткрывателя этого явления.

Эффект заключается в получении через специальный датчик спектра шума от магнитного материала при воздействии на него импульсным электромагнитным полем. По спектру шума при соответствующей тарировке можно получить информацию о параметрах поверхности после термомеханической обработки и упрочнения: твердости, степени упрочнения, величине и знаке остаточных

èдействующих напряжений и других параметрах.

Âнастоящее время в нашей стране и за рубежом ведутся исследовательские работы по практическому использованию МЭБ, т.к. измерение напряжений этим методом позволяет без разрушения определять их величины в поверхности ответственных деталей ГТД. Метод аппаратно реализован в США, где серийно выпускается система ROLLSCAN-200-3 для измерения магнитных параметров и обработки полученных данных по величинам напряжений (см. Рис. 12.3.6.2.5_3).

Из опыта применения МЭБ [12.3.9.33] известно, что наиболее трудоемким и ответственным этапом определения величин напряжений является тарировка измерительной системы. Для этого необходимы специальные образцы, изготовленные из материалов, аналогичных материалам валов, имеющие поверхности, идентичные поверхностям валов. Точность измерений в конечном итоге напрямую зависит от качества и точности калибровки с учетом хорошей чувствительности метода. Калибровку аппаратуры следует выполнять на образцах, вырезанных из объекта исследования, с сохранением поверхностного слоя и формы поверхности исследуемой детали.

С помощью МЭБ можно надежно определять дефекты механической обработки, например, прижоги при шлифовании, неравномерность упрочнения при дробеструйной обработке, оценивать ка- чество электрохимической обработки и сварки, мест наличия локальных растягивающих или недопустимых сжимающих напряжений в обоймах подшипников, зон пластического деформирования материала, например, в деталях и узлах ГТД, находящихся под нагрузкой.

Для определения напряжений в немагнитных материалах в эксплуатации применяется работающая на принципе. Рентгено-структурный метод заключается в получении информации об изменении угла наклона оси кристаллической решетки материала под действием нагрузки. Информация регистрируется детектором «мягкого» рентгеновского излучения, отражающегося от поверхностных слоев материала глубиной до 40 мкм. Переносная аппаратура типа «XSTRESS–3000» для рентгено-структурных измерений показана на Рис. 12.3.6.2.5_4.

Гониометр 1 – устройство, имеющее рентгеновский излучатель и приемник отраженного от поверхностных слоев (глубиной 40 мкм) объекта сигнала. В комплект аппаратуры входит источник высоковольтного напряжения 2 и портативный компьютер 3.

Аппаратура может быть использована для выполнения ресурсных прогнозов. Сравнительная оценка измеренных величин напряжений в ответственных деталях ГТД с использованием эффекта Баркгаузена и рентгено-структурного метода с аппаратурой «XSTRESS–3000» дает удовлетворительные результаты.

Рисунок 12.3.6.2.5_3 - Общий вид аппаратуры ROLLSCAN-200-3

794