Обобщение опыта трибодиагностики авиационных газотурбинных двигателей и разработка мер по повышению ее эффективности

В условиях старения парка эксплуатирующихся авиационных газотурбинных двигателей {ГТД) и необходимости продления их ресурса основным резервом обеспечения требований безопасности является эффективный контроль состояния жизненно важных узлов двигателя и, в частности узлов трения. Состояние узлов трения оценивается по содержанию продуктов изнашивания в работавшем масле. Работающее масло несет в себе информацию о состоянии ГТД, так как, омывает наиболее ответственные узлы трения (подшипники, шлицевые и зубчатые соединения). В процессе изнашивания пар трения металлические частицы попадают в масляную систему и накапливают информацию о состоянии всех омываемых узлов. В дальнейшем процесс аномального изнашивания приводит к изменению геометрических размеров кинематической пары, повышению уровня вибрации, выходу параметров двигателя за пределы нормативных значений.

В последнее время проблеме оценки процессов изнашивания были посвящены ряд публикаций. Среди них можно отметить публикации, посвященные проблеме совместимости трибологических систем — Буше H.A., Копытько В. В. Проблеме изучения трибологических свойств материала как части единой трибологической системы посвящены исследования Института проблем механики РАН. Среди публикаций на эту тему можно выделить труды Алексеева Н. М., Кузьмина H.H., Транковской Г. Р., Шуваловой Е.А.

Проблеме трибодиагностики авиационных ГТД были посвящены ряд публикаций Государственного научно — исследовательского института гражданской авиации, а также публикации в ряде научных сборников Московского государственного технического университета гражданской авиации [37, 38, 41, 43,44,46].

Однако, на практике у специалистов авиационной промышленности и эксплуатантов в отношении к диагностике состояния авиадвигателей по пробам масла сложился широкий спектр мнений от активно-негативного до оптимистического, при этом последний основан на убеждении, что использование современного зарубежного оборудования является основой повышения эффективности диагностики. Эти позиции нашли отражение в бюллетенях промышленности. Так, например, для двигателя Д-36 был отменен ранее действующий бюллетень по контролю примесей в масле, а в бюллетенях по двигателю ПС-90А эксплуатируемых в ОАО «Аэрофлотроссийские авиалинии» предусматривается использование серьезного арсенала зарубежного оборудования и специального программного обеспечения.

Исходной позицией сложившихся отношений является весьма низкая эффективность действующих бюллетеней предусматривающих оценку состояния ГТД по факту достижения фиксированного значения удельной концентрации (С () контролируемых металлов. Так, при достижении удельной концентрации Бе С (= 2,0 г/т двигатели Д30 КУ/КПЖУ-154 ставятся на особый контроль (ОК), при достижении С1= 4,0 г/т двигатели снимаются с эксплуатации. Для двигателя ПС-90А нормативные значения концентрации по Бе и Си составляют С (= 1,5 г/т для постановки на ОК и С (= 4 г/т для съема двигателя с эксплуатации.

Используемая в настоящее время Методика предупреждения начала аварийного износа, основанная на периодическом измерении уровня концентрации металлов в масле и сравнении с допустимыми значениями, обладает весьма низкой эффективностью. По статистическим оценкам, лишь у 23% двигателей снятых по причине разрушения узлов трения величина С1 достигала уровня постановки на ОК до срабатывания аварийных сигнализаторов. Одной из основных причин столь низкой эффективности данного подхода является противоречие между методикой принятия решения по факту достижения фиксированного значения концентрации С (и сильной мере случайной характера результатов измерений, С1 определяемых рядом не поддающимся учету случайных факторов.

Выбор нормативных значений С (производился из условия исключения ошибки 1-го рода (ложная тревога) путем подъема значений С (заведомо выше максимально допустимых. При этом автоматически возрастает ошибка 2-го рода (пропуск дефекта), условная вероятность которой, в нашем случае, выходит за пределы 95%.

На практике эффективность трибодиагностики определяется следующими показателями:

— сокращением количества случаев выключений двигателей в полете по срабатыванию аварийных сигнализаторов «стружка в масле» (СМ);

— сокращением досрочного съема двигателей (ДСД) по ложному (с вероятностью в среднем 2(Н25%) срабатыванию аварийного сигнализатора СМ на основании информации о фактическом состоянии динамики износа двигателя и возможности её эффективного контроля;

— величиной сокращения ДСД эксплуатации за счет определения марки сплава частиц изнашивания с контрольных элементов двигателя и определения возможного источника разрушения.

В случае соответствия марки стружки, марке материала колец и тел качения подшипников основных опор двигателя, двигатель снимается с эксплуатации. Если материал стружки соответствует, например, материалу деталей стартера или коробки приводов, то после замены агрегата двигатель допускается к дальнейшей эксплуатации.

Возможность определения марки сплава реализована с использованием анализатора «Спектроскан Макс-ОУ» и доработанной версии «Анализ стружки» основной Программы.

В таблице 1 представлены % показатели и наработка двигателей, направленных в ремонт по состоянию узлов трения (стружка на контрольных элементах), от общего числа двигателей снятых с эксплуатации по другим причинам, не связанным с маслосистемой.

Таблица 1. ж Показатель 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008.

1. Количество двигателей снятых с эксплуатации.% 31 33 34 29 24 21 29 22 26.

2 Количество случаев «стружки». / 0 § 21 п 1 9 16 17 30 23.

3. Снято двигателей по «стружке». % 5 19 1 2 3 3 9 6 5.

4. Количество двигателей, продолживших эксплуатацию, % з 7 5 7 13 14 21 17.

5. Суммарная наработка парка двигателей ПС-ЭОЛ. час 103 57,8 62 74,3 80 104 79,3 71,6 83,4 95,9.

6. Дополнительная наработка двигателей, продолживших эксплуатацию, час 103 — - 19 19,4 20,6 18,5.

7 Процентное соотношение дополнительной наработки к наработке парка двигателей ПС-90А. % - - 25.63 24.29 19.81 20.12.

Из таблицы видно, что, начиная с 2002 г. (начало использования программы «Анализ стружки») число двигателей, продолживших эксплуатацию после фактов выявления стружки, составило 80%, по сравнению с 18% до применения программы определения марки сплава. Величина совокупного экономического эффекта, полученного собственниками двигателя и эксплуатантом соизмерима со стоимостью одного нового двигателя ПС-90А.

Исключение необоснованных съемов двигателей обеспечивает (как показывает пятилетняя практика) около 20% дополнительной наработки парка эксплуатируемых двигателей, которая при иных условиях может быть достигнута за счет увеличения резервного парка авиакомпании на два — три двигателя.

Очевидно, что это направление трибодиагностики перспективно, самоокупаемо по затратам, имеет пути дальнейшего совершенствования в направлении расширения перечня распознаваемых металлов и сокращению требований к минимальным размерам контролируемых частиц.

Однако остаются открытыми вопросы, связанные с повышением уровня безопасности полетов за счет предотвращения (сокращения) случаев выключения двигателей в полете по срабатыванию аварийных сигнализаторов СМ. В таблице 2 представлена статистика Департамента авиационно-технического обеспечения (ДАТО) ОАО «Аэрофлотроссийские авиалинии» по числу случаев выключений двигателей в полете по срабатыванию СМ. В средней строке данные по суммарной годовой наработке парка двигателей ПС-90А, а в нижнейколичество случаев Осм срабатываний по СМ.

Таблица 2.

Года 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008.

Хчас 103. 57,8 62 74,3 80,1 104,1 92,1 80 80,1 95,9.

3 4 0 1 2 1 2 1 4.

Нормативное значение наработки на отказ, приводящий к выключению двигателя в полете, должно быть не менее 50 тыс. часов. К настоящему времени, как видно из таблицы на 2008 г, этот показатель составляет 24 тыс. часов и это выключения только по срабатыванию СМ, хотя в нормативное значение входят и другие причины, например случаи выключения по причине помпажа двигателя. Из таблицы видно, что актуальность проблемы по сокращению предпосылок авиационных происшествий (ПАП) не снята и не исключено возрастание её актуальности.

В маслосистеме эксплуатируемых двигателей частицы износа присутствуют в двух состояниях:

— частицы износа, находящиеся во взвешенном состоянии в работающем масле;

— частицы износа, осажденные на контрольных элементах двигателя и фильтрах.

Известно, что эффективность применения диагностики определяется тремя основными взаимосвязанными составляющими:

— качество приборного оборудования;

— программно-методическое обеспечение;

— действующей нормативной документацией.

В лаборатории диагностики ОАО «Аэрофлот» (ЛД) для контроля частиц изнашивания в пробах масла используются атомно-эмиссионные спектрометры МОА фирмы «БЭРД» и рентгеновские анализаторы «Спектроскан Макс-ОУ» (изготовитель — НПО «Спектрон», г. Санкт-Петербург"), а также широкий (полный спектр) аппаратуры феррографического анализа, позволяющая определять дополнительно спектральному анализу размер, форму и количество частиц износа в исследуемой пробе масла.

Феррографический метод исследования реализован аппаратным комплексом фирмы «РКЕБЮТ/БЫ» (США), дополненный лазерным счетчиком и классификатором формы и размера частиц Ы^-С фирмы «ЗРЕСТЯО ЕЧС» (США) и программноаппаратным комплексом Ферроскан, разработанный специалистами ВЦ ГА «Аэросервис» с участием автора в части разработки алгоритма программы.

Суть реализованной в ЛД ОАО «Аэрофлот — российские авиалинии» методики заключается в комплексном рентгеновском, феррографическом и статистическом анализе проб масла, реализованным в рамках использования программы «ИЗНОС 1−3» (в дополнение к традиционной оценке по уровню концентрации металлов в пробах масла) и расширенной подпрограммами «Анализ стружки «, «Счетчик частиц», «Вибрация».

Комплексное использование указанных аппаратурно-программных средств в ЛД ОАО «Аэрофлот-РА» обеспечило значительное сокращение числа случаев необоснованного съема двигателей с эксплуатации, как это видно из таблицы, за счет определения марки сплава частиц изнашивания, выявляемых на контрольных элементах двигателя и определения их возможного источника разрушения.

В современной трибодиагностике, задача предотвращения выключения двигателей в полете по срабатыванию аварийных сигнализаторов считается наиболее актуальной.

Решение этой задачи заключается в выявлении начальной стадии аномального износа по изменению параметров частиц изнашивания в маслосистеме двигателя с дальнейшим выявлением причины аномалии.

Анализ публикаций специалистов выявил ряд возможных, и зачастую противоречивых мнений, исключающих возможность положительного решения этого вопроса.

Отсутствию положительных сдвигов и неудачи в решении этой проблемы, по мнению авторитетных специалистов, способствуют следующие причины:

— большие погрешности физических методов количественной оценки концентрации металлов в пробах масла, поступающих на анализ, включая ошибки измерений за счет несоответствия структуры калибровочных образцов структуре осадков на отпечатках рабочих проб масла;

— большие объемы расхода (примерно один литр на 1час. работы двигателя) и доливы масла, вследствие чего в маслосистеме двигателя не накапливаются частицы изнашивания в той мере, чтобы их удельная концентрация имела устойчивый рост даже в случае интенсивного изнашивания какой-либо из омываемых маслом пар трения;

— период развития аномального износа Tatt — Jbh. Jcm деталей подшипников основных опор двигателя от начальной стадии Jbh до конечной Jcm (срабатывания сигнализатора «СТРУЖКА В МАСЛЕ» или «ОПАСНАЯ ВИБРАЦИЯ») практически не превышает интервал Tatt = (4(Н150) час. наработки двигателя, т. е. в некоторых случаях может быть меньше периода отбора проб на анализ;

— подавляющая часть частиц износа осаждается на фильтрах фирмы PALL с размером ячейки 1(Н15 мкм и не попадает в пробы масла, поступающих на анализ (бюллетень № 94 260 БУ-Г. Замена МФС-94 на фильтроэлемент QA07930 фирмы PALL 14.07.02 г.);

— современный и самый совершенный программно-аппаратный комплекс регистрирует только лишь начальную фазу аномалии износа J тек > Jnped и позволяет отслеживать аномалию, чего уже явно недостаточно, ввиду возможного очень большого разброса значений Tatt (от часов до месяцев);

— задача своевременного и обоснованного отстранения двигателя от эксплуатации по состоянию узлов трения слишком сложная и решение необходимо искать в комплексной, а не однопараметрической постановке.

Если обратиться к опыту зарубежных программ трибодиагностики, то на примере инструкций по авиадвигателям CFM56, PW4000 можно видеть, что помимо значений концентраций, полученных несколькими независимыми методами, в них осуществляется точный учет доливаемого масла, а также контроль еще более чем десятка различных параметров работавшего масла. Во всех случаях при эксплуатации авиационных двигателей в режиме «Особый контроль» (ОК) производится сопоставление динамики изменения характеристик масла с изменением параметров вибрации и давления в полостях суфлирования. В совокупности с низкими нормами расхода масла это позволяет строить трендовые графики удельных концентраций для каждого металла, строить доверительные границы и прогнозировать наработку, при которой удельная концентрация металла выйдет за их пределы. В условиях, в которых находятся в настоящее время лаборатории диагностики отечественных авиапредприятий, осуществление такого комплексного диагностирования невозможно.

С другой стороны этот же опыт показывает, что рекомендации разработчика зарубежных двигателей не столь категоричны даже в рамках постановки задач диагностирования, хотя и отмечают, что пробы масла, взятые с двигателей, оборудованных фильтрами тонкой очистки масла, не позволяют исследовать содержание частиц износа. Частицы износа остаются на фильтре и не попадают на исследование в составе проб масла. В последние годы основные усилия сосредотачиваются на контроле содержимого масляных фильтров.

Цель работы и задачи исследования.

Обобщение опыта трибомониторинга авиадвигателей ПС-90А (с учетом тенденций по зарубежному опыту) и разработка рекомендаций по дальнейшему совершенствованию в направлении повышения его эффективности на базе использования отечественного оборудования.

Главными задачами исследования являлись:

— Выявление факторов, влияющих на эффективность трибодиагностики;

— Обоснование основных технических характеристик (номенклатура измеряемых элементов, нижний порог чувствительности и точностные характеристики) базового РФА;

— Проведение исследований по оценке перспективности трибодиагностики на основе анализа продуктов изнашивания с фильтров маслосистемы двигателя;

Методы исследования.

Ретроспективный анализ на базе накопленной статистики по анализу проб масла. В работе использован комплексный подход, включающий известные методы теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— Проведено исследование используемого для трибодиагностики АД оборудования с точки зрения возможностей анализа частиц изнашивания во всем исследуемом диапазоне.

— Проведен статистический анализ данных, полученных при измерении удельных концентраций продуктов изнашивания АД, снятых с эксплуатации по причине разрушения омываемых маслом узлов, а так же исправных АД, снятых с эксплуатации по причине отработки ресурса.

— Предложены методические рекомендации по комплексной диагностике, включающие помимо спектрального анализа масла, анализ фильтра, контрольных элементов, феррографический анализ.

Реализация и внедрения результатов работы.

Результаты, полученные в диссертационной работе, используются в ряде предприятий ГА, а так же были применены при доработке программы «Многоэлементный анализ» в рамках бюллетеня промышленности № 94 370-БЭ-Г.

Положения, выносимые на защиту.

1. Обоснование перечня контролируемых элементов.

2. Результаты исследования влияния фильтров тонкой очистки на эффективность трибодиагностики.

3. Использование методики количественного РФА при исследовании содержимого маслофильтров.

4. Методика комплексного применения различных методов трибодиагностики при оценке состояния маслосистемы ГТД.

Апробация работы.

Основные положения работы и результаты выполненных исследований докладывались и получили положительную оценку на международных и ряде внутривузовских конференциях, а также научно-технических семинаров кафедры «Техническая механика» МГТУ ГА. По материалам работы опубликовано 6 научных статьи.

Структура и объем диссертационной работы.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, приложений.

Работа изложена на 178 страницах машинописного текста, содержит 77 иллюстраций, 33 таблиц и 79 библиографических названий.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность коллективу кафедр «Техническая механика» и «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и авиационных двигателей», а также лично научному руководителю, доктору технических наук, профессору Машошину Олегу Федоровичу за конструктивные предложения и поддержку по формированию содержания диссертации.

Общие выводы по работе.

Целью настоящей диссертационной работы являлась обобщение опыта трибомониторинга авиадвигателей ПС-90А (с учетом тенденций по зарубежному опыту) и разработка рекомендаций по дальнейшему совершенствованию в направлении повышения его эффективности на базе использования отечественного оборудования.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

1. Выявлены факторы влияющие на эффективность трибо диагностики;

2. Разработана технология извлечения частиц износа из технологического фильтра и оценена ее эффективность;

3. Доказана эффективность трибодиагностического мониторинга пар трения маслосистемы ГТД на основе продуктов очистки маслофильтров.

4. Разработано программно-методическое обеспечение трибо диагностирования на основе продуктов очистки маслофильтров;

5. Сформированы доверительные интервалы и дополнительные процедуры контроля при их превышении для концентрации основных и лигирующих элементов в работавшем масле авиадвигателя ПС-90А.

Полученные результаты дают возможность:

1. Повысить уровень эффективности контроля за состоянием деталей омываемых маслом АД;

2. Повысить работоспособность двигателя в полете, за счет сокращения случаев срабатывания сигнализатора «СМ»;

3. Сократить количество необоснованно снятых АД с эксплуатации.