Метод диагностики авиадвигателей на основе параметрической модели работы турбокомпрессора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.14, кандидат технических наук Торбеев, Станислав Александрович

• Торбеев, Станислав Александрович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Торбеев, Станислав Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1. Обобщение опыта эксплуатации двигателя Д-36 в гражданской авиации.

1.1. Особенности ТРД трёхвальных схем и их технического обслуживания, на примере ТРДД Д-36.

1.2. Статистический анализ отказов и неисправностей авиадвигателей Д-36.

1.3. Основные узлы, ответственные за техническое состояние двигателя Д-36.

1.4. Авиационный двигатель Д-36 как объект диагностики.

Выводы по главе 1.

2. Совершенствование методов диагностирования технического состояния авиадвигателя Д-36 по термогазодинамическим параметрам.

2.1. Существующие подходы в оценке состояния газотурбинных двигателей по уровню термогазодинамических параметров при техническом обслуживании и ремонте.

2.2. Применение параметрических методов контроля в процессе эксплуатациивигателяД-36.

2.3. Использование математических моделей для определения технического состояния авиационных ГТД.

2.4. Совершенствование методов диагностики двигателя Д-36 по термогазодинамическим параметрам в процессе эксплуатации и ремонта с применением новой математической модели.

Выводы по главе 2.

3. Оценка состояния двигателей Д-36 с использованием математической модели.

3.1. Алгоритм диагностирования проточной части двигателя Д-36.

3.2. Результаты обработки параметрической информации двигателей

Д-36 с использованием математической модели.

Выводы по главе 3.

4. Применение математической модели для совершенствования диагностики двигателей Д-36 в условиях эксплуатационного предприятия.

4.1. Методика принятия решения о техническом состоянии двигателя.

4.2. Предложения по совершенствованию параметрической диагностики авиадвигателей в условиях эксплуатационных предприятий.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод диагностики авиадвигателей на основе параметрической модели работы турбокомпрессора»

Современной тенденцией в развитии авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) является повышение параметров рабочего процесса температуры газов до 1600-1800°, степени повышения давления як до 30 и выше). Это приводит к повышению топливной экономичности и тяговой эффективности двигателей, однако одновременно сопровождается повышением их стоимости и сложности конструкции. Поэтому экономически оправданной необходимостью является обеспечение полного исчерпания ресурсных возможностей. Для достижения этого требуется разработка систем объективного контроля технического состояния каждого двигателя, его систем, жизненно важных узлов и агрегатов.

Как показывает опыт эксплуатации современных двигателей, около 50% прямых эксплуатационных расходов составляют расходы на техническое обслуживание и ремонт (ТО и Р).

Снижение расходов на обслуживание является одной из важнейших задач организаций по ТО и Р. Здесь большую роль играет разработка и внедрение современных и высокочувствительных систем технической диагностики, позволяющих на ранней стадии обнаружить появление и развитие неисправностей, что позволит проводить работы по ТО и Р в соответствии с фактическим и прогнозируемым техническим состоянием ГТД.

На систему диагностики возлагается и другая важная задача -обеспечение требуемого уровня безопасности полётов, предупреждение отказов авиационной техники в эксплуатации. Отказ авиационного ГТД приводит к снижению безопасности полёта, усложнению условий полёта, снижению запаса резервных возможностей для благополучного завершения полёта. Особенно опасные последствия вызывает отказ двигателя, сопровождаемый нелокализованным разрушением роторов. Такие разрушения всегда приводят к авиационным инцидентам, иногда с тяжёлыми последствиями социального и экономического характера.

Подобные отказы внешне воспринимаются, как внезапные и случайные. Техническая диагностика является областью знаний, исследующей техническое состояние объектов диагностирования и проявление этих состояний. Задача технической диагностики, как науки состоит в том, чтобы изучить природу отказов, выявить параметры двигателя, отражающие процесс развития неисправности до её критического уровня, построить систему контроля и прогнозирования этих параметров, найти способы внедрить её в существующую систему ТО и Р.

Особое место в проблеме обеспечения безопасности полётов занимают вопросы достоверности диагностирования. Действительно, надёжность существующих систем контроля не превышает надёжности . самих авиационных ГТД. Данное обстоятельство приводит к тому, что отказ системы контроля воспринимается, как отказ двигателя, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Поэтому разработка методов обеспечения максимальной достоверности диагностирования является необходимым условием достижения его высокой эффективности.

Перспективы развития систем диагностики авиационных ГТД связаны с разработкой новых методов и средств раннего предупреждения таких развивающихся неисправностей, которые в существующей системе технической эксплуатации приводят к внезапным отказам. Предусматривается широкая автоматизация процессов диагностирования в реальном масштабе времени (непосредственно в полёте), интеграция систем диагностики и автоматического управления ГТД.

Диагностика по термогазодинамическим параметрам является составной частью технической диагностики ГТД. Интенсивное развитие, которое получила в настоящее время параметрическая диагностика, объясняется её преимуществами при диагностировании машин и механизмов непрерывного действия. В её основе лежит подтверждённая гипотеза о том, что термогазодинамические параметры несут в себе информацию о состоянии двигателя в целом и состоянии отдельных его узлов и агрегатов. Тем самым, подвергнув параметры работы двигателя соответствующей обработке, молено получить закономерности их изменения.

При изменении состоянии двигателя закономерности будут нарушаться и будет возможность определить начало развития неисправности. Поэтому в общем виде, параметрическая диагностика сводится к наблюдению за изменением параметров работы двигателей при их эксплуатации и сравнении их с эталонными характеристиками.

Известны труды ряда учёных и специалистов, которые решали и решают задачи повышения эффективности технической диагностики ГТД и термогазодинамической диагностики в частности. Это такие известные специалисты, как A.M. Ахмедзянов, Н.Г. Дубравский , А.П. Тунаков, И.В. Кеба, С.Г. Гершман, В.И. Поварков, М.А. Алабин, В.В. Голубев, Ю.М. Алабин и др. [1,2,10,14,16,20,27].

Тем не менее, в этом направлении не все вопросы решены до конца. Современные условия эксплуатации диктуют необходимость разрабатывать новые и дополнять уже имеющиеся способы и методы диагностики и оценки технического состояния.

Данная работа посвящена разработке методов повышения эффективности параметрической диагностики одного из важнейших типов роторных динамических машин - авиационных двигателей.

В качестве таких методов рассмотрены методы обработки параметрической информации с использованием математических моделей для получения данных, которые позволят адекватно оценить техническое состояние объекта на данном промежутке времени.

Диссертационная работа базируется на теоретических и экспериментальных исследованиях, проведённых лично автором в реальных условиях эксплуатации авиадвигателей Д-36 в АТБ ОАО «Авиационные линии Кубани».

Ниже приводится краткая характеристика цели, задач, основных результатов и содержания диссертационной работы.

Цель работы - повышение достоверности диагностики авиадвигателей в условиях эксплуатации с минимальными затратами времени и труда на основе применения новых методов и критериев оценки их состояния.

Главными задачами исследований явились:

- анализ существующих методов и средств диагностики авиадвигателей Д-36 применяемых в настоящее время при их эксплуатации;

- анализ работ по техническому обслуживанию двигателей Д-36 в целом и работ по контролю его состояния в частности;

- анализ отказов, неисправностей, повреждений авиадвигателей Д-36 в эксплуатации и причин их возникновения;

- выявление «слабых мест» конструкции двигателей Д-36;

- разработка новых подходов для совершенствования диагностики авиадвигателей в процессе эксплуатации, основанных на анализе параметрической информации, регистрируемых штатной аппаратурой самолёта.

Методы исследования, В работе использовались статистические, аналитические методы классификации и идентификации состояний объектов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- проанализированы результаты обобщения опыта эксплуатации авиадвигателей Д-36 и выявлены факторы, затрудняющие объективную оценку технического состояния ГТД при техническом обслуживании.;

- разработана новая диагностическая модель двигателя Д-36, отличающаяся возможностью реализации в производственных условиях и базирующаяся на установлении взаимосвязи между термогазодинамическими параметрами и параметрами окружающей среды.

- получены результаты идентификации различных состояний двигателей Д-36, эксплуатируемых на самолётах Як-42 в авиакомпании «Авиационные линии Кубани».

- уточнены диагностические решения состояния турбокомпрессорной части эксплуатируемых ГТД, полученные в условиях эксплуатации с использованием штатных средств обработки параметрической информации.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе полученных результатов можно:

- повысить правильность и достоверность диагностических решений при оценке состояния ГТД в условиях эксплуатации, тем самым повысить качество технического обслуживания ВС ГА;

- снизить временные и непроизводительные затраты, связанные с осуществлением поиска «адреса» дефекта и причин его появления;

- повысить уровень безопасности полётов.

Апробация работы

Результаты выполненных исследований докладывались и получили положительную оценку на научно - технических конференциях «Гражданская авиация на современном этапе развития науки и техники» и семинарах. Всего было сделано 5 научных докладов.

Разработанный метод диагностики авиадвигателей Д-36 получил применение при формировании диагностических решений при техническом обслуживании, о чём имеется соответствующий акт внедрения от ОАО «Авиационные линии Кубани».

Публикации.

По материалам диссертационных исследований опубликованы 3 научные статьи (в соавторстве и единолично) в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных исследований.

Структура и объём диссертационной работы.

Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников. Основная часть работы изложена на 139 стр. машинописного текста, содержит 59 рисунков, 4 таблицы и 31 библиографическое название. Общий объём работы 142 страницы.

Автор выражает признательность коллективу кафедры ТЭЛА Московского государственного технического университета гражданской авиации, научному руководителю д.т.н., профессору В.А. Пивоварову, за оказанную помощь и конструктивные замечания в ходе выполнения и оформления данной диссертационной работы.

Заключение диссертации по теме «Эксплуатация воздушного транспорта», Торбеев, Станислав Александрович

Выводы по главе 4

1. Рассмотрен алгоритм принятия решений о техническом состоянии авиадвигателей Д-36, при работе с автоматизированной системой

АСК/тс Як-42. Показано, что данная методика требует при работе с ней таких действий специалиста, которые трудно поддаются алгоритмизации.

2. Предложены мероприятия по совершенствованию применяемой системы параметрической диагностики.

3. Предложены мероприятия по совершенствованию диагностики авиадвигателей с использованием разработанной модели.

4. Разработанная в данной работе методика алгоритмизируется гораздо проще, что позволяет в перспективе добиться полной автоматизации принятия решений.

Заключение по результатам диссертационной работы

1. Обобщён опыт эксплуатации авиадвигателя Д-36. Установлены и проанализированы основные отказы, и неисправности турбокомпрессорной части двигателя и его систем, основными из которых являются повреждения рабочих лопаток компрессора и турбины (забоины, загибы, вмятины, прогары, эрозионный износ), разбандажирование лопаток вентилятора и турбины, износ и выкрашивание легкоприрабатываемого покрытия, прогары камеры сгорания, засорение форсунок, разрушение подшипниковых узлов опор и др.

2. Проанализирована действующая документация по диагностике двигателя

Д-36. Вскрыты факторы, негативно влияющие на достоверность результатов диагностики, к которым относятся, высокая трудоёмкость выполнения контроля состояния элементов проточной части (проведение смотровых работ внутренних полостей двигателя, измерение обнаруженных дефектов, документирование результатов контроля), существенные материальные и временные затраты при анализе состояния маслосистемы, систематические сбои и большие погрешности системы регистрации параметров, неприспособленность систем диагностики параметрического контроля к реальным условиям эксплуатации, факторы производственного и социального характера.

3. Разработана диагностическая модель ГТД, сформированная на базе оценки баланса мощностей турбокомпрессора , позволяющая делать оценку состояния основных узлов двигателя на основе чувствительности ее параметров.

4. Предложен новый подход к оценке состояния авиадвигателя Д-36, основанный на анализе поведения диагностических коэффициентов, полученных из уравнений баланса мощностей на валах при установившемся режиме работы ГТД.

5. Произведена апробация разработанной модели на практике при ТО и Р, которая подтвердила ее способность выявлять большинство лредотказных состояний двигателя Д-36, вызванных недопустимыми повреждениями и износом элементов проточной части, неисправностями камеры сгорания, разрушением элементов конструкции двигателя ( трещины корпуса, валов и др.), частичная потеря работоспособности клапанов перепуска воздуха (негерметичность магистралей отбора воздуха) и др.

6. Разработаны рекомендации по использованию предложенного метода диагностики при технической эксплуатации авиадвигателей Д-36, которые сводятся к следующим основным этапам:

- систематизированный сбор и обработка полётной информации из полётных карт;

- выполнение расчёта параметров модели турбокомпрессора и определение трендов диагностических коэффициентов, связанных с состоянием узлов двигателя;

- классификация взаимосвязей характера трендов с неисправностями двигателей;

- создание массива поступающих и накопленных данных для уточнения характера формирующегося отказа и связи с положением трендов.

Достоинством данного метода является чёткая алгоритмизация и возможность осуществления диагностирования ГТД в условиях проведения работ по техническому обслуживанию по сравнению с действующими в настоящее время методиками, большая достоверность результатов, а также возможность автоматизации принятия решений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Торбеев, Станислав Александрович, 2008 год

1. Алабин М.А., Голубев В.В., Алабин Ю.М. Контроль и поддержание качества турбореактивных двигателей при производстве и эксплуатации. — М.: АСЦ ГосНИИГА, 2002. - 128 с.

2. Ахмедзянов A.M., Дубравский Н.Г., Тунаков А.П. Диагностика состояния ВРД по термогазодинамическим параметрам. — М.: Машиностроение, 1983. -206 с.

3. Барзилович Е.Е., Воскобоев В.Ф. Эксплуатация авиационных систем по состоянию. -М.: Транспорт. 1981, 197 с.

4. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с англ. М.: Мир, 1974. 464 с.

5. Биргер И.А., Шорр Б.Ф. Динамика авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1981. 232 с.

6. Болотин В.В. Прогнозирование ресурсов машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984. —312 с.

7. Бунякин A.B., Торбеев С.А. Диагностика проточной части авиационных ГТД на примере ТРДД Д-36. Научный вестник МГТУ ГА № 109, серия «Эксплуатация воздушного транспорта», М.: МГТУ ГА, 2006, -с. 30-37.

8. Бунякин A.B., Торбеев С.А. Диагностирование ТРДД Д-36 с использованием новой математической модели. Научный вестник МГТУ ГА № 109, серия «Эксплуатация воздушного транспорта», М.: МГТУ ГА, 2006, -с. 38-43.

9. Гершман С.Г., Поварков В.И., Дубравский Н.Г. Изучение изменений сигналов авиационного двигателя при обрыве лопатки турбины. «Морское приборостроение. Сер. Акустика», 1973, вып. 3.

10. Кеба И.В. Диагностика авиационных газотурбинных двигателей.- М.: Транспорт, 1980. 248 с.

11. Кесаев Х.В., Трофимов P.C. Надёжность двигателей летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1982. - 136 с.

12. Кулагин И.И. Теория авиационных газотурбинных двигателей,- М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1955. 407с.

13. Кунина П.С., Павленко П.П., Бунякин A.B. Анализ технического состояния центробежных нагнетателей по термогазодинамическим параметрам. Ростов-на-Дону: Издательство Ростовского университета, 2002.-206 с.

14. Лозицкий Л.П., Янко А.К., Лапшов В.Ф. Оценка технического состояния авиационных ГТД. -М.: Транспорт, 1982. —160 с.

15. Малышев A.C. Методика проведения анализа полётной информации МСРП-64 Самолёта Як-42 с использованием наземной системы обработки на базе персонального компьютера. М.: ГосНИИ ГА, 2002. 61с.

16. Мозгалевский A.B., Гаскаров Д.Е. Техническая диагностика. М.: Высшая школа, 1976.

17. Мозгалевский A.B., Калягин Е.П. Системы диагностирования судового оборудования. Л.: Судостроение, 1982.

18. Папок К.К. Нагары в реактивных двигателях. М.: Транспорт, 1971. -326 с.

19. Сиротин H.H., Коровкин Ю.М. Техническая диагностика авиационных газотурбинных двигателей. — М.: Машиностроение,1979.-272с.

20. Сиротин H.H. Конструкция и эксплуатация, повреждаемость и работоспособность газотурбинных двигателей. — М.: РИА «ИМИНФОРМ», 2002.-442 с.

21. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. М.: Наука, 1969. -511с.

22. Тойбер М.Л. Электронные системы контроля и диагностики силовых установок. М.: Воздушный транспорт. - 336 с.

23. Торбеев С.А. Применение алгоритма диагностирования проточной части для анализа технического состояния ТРДД Д-36. Научный вестник МГТУ ГА № , серия «Эксплуатация воздушного транспорта», М.: МГТУ ГА, 2007 (в печати).

24. Хенли Д., Кумамото X. Надёжность технических систем и оценка риска. М.: Мир, 1987. - 528 с.

25. Чуев Ю.В., Михайлов Ю.Б., Кузьмин В.И. Прогнозирование количественных характеристик процессов. М.: Советское радио, 1975. 400с.

26. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. М.: Мир, 1975.-688с.

27. Ямпольский В.И., Белоконь Н.И., Пилипосян Б.Н. Контроль и диагностирование гражданской авиационной техники. М.: Транспорт, 1990. - 182 с.

28. Трёхвальный ТРДД Д-36. Руководство по технической эксплуатации.

29. Регламент технического обслуживания самолёта Як-42.

30. Методика автоматизированной системы контроля технического состояния двигателя Д-36 самолетов Як-42 по данным бортового регистратора (АСКУТС-Як42). М. 1995.

31. Трёхвальный ТРДД Д-36. Методика оценки технического состояния двигателя по измеряемым в полёте параметрам.- М.