CC BY
89
2008
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность, поддержание летной годности ВС
№ 130
УДК 629.7.071
АНАЛИЗ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АГРЕГАТОВ БОРТОВЫХ СИСТЕМ ВС МЕТОДАМИ ЛАЗЕРНОЙ ВИБРАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ В НАЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ
А.В. ОЗЕРОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Ушаковым А.П.
В статье представлен анализ экспериментальных данных по вибродиагностике бортовых агрегатов воздушных судов с использованием лазерного вибродатчика.
Современное воздушное судно (ВС) представляет собой сложный комплекс систем различного назначения. Основными из них являются: конструктивная система планера самолёта (вертолёта), силовая установка, топливная система, гидросистема (пневмосистема для некоторых типов ВС и вертолётов), система кондиционирования воздуха в салоне, система электроснабжения.
Для повышения надёжности функционирования технических систем в авиации применяется принцип резервирования. Принцип резервирования заключается в том, что в систему внедряются не один, а два (а то и три и четыре) однотипных агрегата. С одной стороны, это снижает риск полного отказа системы в случае выхода из строя отдельных агрегатов, но с другой -это ведёт к утяжелению системы (росту удельной массы системы в ВС) и росту потока отказов в связи с ростом количества элементов системы, что увеличивает трудоёмкость технического обслуживания (ТО) ВС.
Основной альтернативой резервированию в настоящее время является анализ функционирования агрегатов методами технической диагностики. Данное предложение вызвано тем, что изменение технического состояния многих агрегатов ВС практически не отслеживается бортовой аппаратурой объективного контроля. Параметры их работы также не контролируются по приборам в кабине ВС.
В состав функциональных блоков различных систем ВС входят агрегаты, содержащие внутри себя вращающиеся детали: электродвигатели, генераторы, насосы, редукторы, турбомашины (турбохолодильные, турбогенераторные и турбонасосные установки). От надёжной работы этих агрегатов во многом зависит эффективность функционирования всей системы.
Одним из самых эффективных инструментов контроля технического состояния роторных агрегатов является функциональная виброакустическая диагностика. Данное направление технической диагностики (ТД) развивается с 30-40-х гг. прошлого века. Но значительных успехов в создании высокопроизводительной и компактной элементной базы, а следовательно, и многофункционального портативного диагностического оборудования наука добилась только в последние десятилетия.
Методы вибродиагностики широко применяются в настоящее время во многих отраслях народного хозяйства и индустрии при диагностировании стационарных роторных агрегатов. На данный момент ведущими учёными и специалистами в области вибродиагностики накоплен значительный опыт, результатом которого является сформированный словарь признаков неисправностей для различных деталей машин или агрегатов в целом. Причём ошибки в диагнозе практически не превышают 3 - 5%.
Механизм быстрого преобразования Фурье (БПФ), следящий спектральный анализ, спектральный анализ высокочастотного сигнала вибрации являются наиболее распространёнными способами вибродиагностики. Большинство современных вибродиагностических приборов со-
держат целый инструментарий функций, необходимых для решения всего спектра задач вибрационной диагностики.
Основным источником первичной информации в системах вибродиагностики является пьезоэлектрический вибродатчик, действие которого основано на явлении пьезоэффекта. Данный тип датчика имеет много достоинств, таких как простота конструкции, надёжность, относительная дешевизна. Но у него есть и несколько серьёзных недостатков: необходимость жёсткого крепления к объекту контроля (ОК), наличие на частотной характеристике установочного резонанса, невозможность контроля высокотемпературных объектов.
Наличие таких недостатков, по-видимому, является основной причиной узкого применения их в авиации: сегодня с помощью пьезоэлектрических вибродатчиков производится только мониторинг технического состояния авиационных двигателей (АД) и вспомогательных силовых установок (ВСУ). Это связано с тем, что данные ОК имеют специальные места для жёсткого крепления таких датчиков к конструкции (как - правило, в зоне мест крепления двигателя к самолёту). Все остальные агрегаты (в том числе агрегаты двигателей) либо контролируются косвенно (по параметрам функционирования системы), либо вообще не контролируются, а эксплуатируются по назначенному ресурсу.
Применение стандартных вибродатчиков к задаче диагностирования роторных агрегатов ВС осложнено тем, что большая часть из них не только не имеет специальных мест для их крепления, но даже не содержит снаружи стальные ферромагнитные элементы, что также исключает возможность использования магнитов для установки датчиков вибрации. Широкое использование лёгких неферромагнитных сплавов отличает авиацию от других отраслей промышленности (где подавляющее большинство функциональных блоков, подлежащих диагностированию, выполнено из стали, что послужило стимулом внедрению вибродиагностирования с помощью вибродатчиков на магнитах, не смотря на отсутствие специальных мест для их крепления).
Широкие возможности по вибродиагностике агрегатов ВС даёт внедрение лазерных датчиков вибрации. Они начали развиваться достаточно давно, но только сегодня достигли необходимого уровня минимизации и чувствительности. Они представляют собой измерители скорости вибрации, работающие на эффекте Доплера, и позволяющие улавливать малейшие виброперемещения корпуса ОК. В отличие от стандартных пьезоэлектрических вибродатчиков, лазерные велосиметры не нуждаются в точке крепления на ОК, а позволяют снимать информативный вибросигнал на расстоянии до 5м (согласно характеристике лазера, применённого автором) от ОК. Следовательно, лазерные вибродатчики не имеют установочного резонанса и могут быть легко применены для контроля технического состояния высокотемпературных объектов.
Современные лазерные вибродатчики имеют в когерентном квантовом пучке также и составляющую видимого спектра излучения (как правило, красного цвета), что облегчает наведение лазерного луча на точки ОК. Для размещения лазера на земле или стремянках достаточно обычного фотоштатива.
Автором статьи были проведены эксперименты с целью оценки возможности применения лазерного вибродатчика для диагностирования агрегатов ВС.
Данные работы были проведены на базе АТБ ФГУП «ГТК Россия» в г. Санкт - Петербург. Были обследованы генератор ГТ - 40ПЧ6, установленный на двигателе Д - 30КУ - 154 самолёта ТУ - 154М и турбохолодильник самолёта ТУ - 214. В качестве портативного прибора контроля вибрации использовался виброанализатор «Кварц» фирмы «Диамех» г. Москва (рис. 1).
Генератор ГТ - 40ПЧ6 является основным источником электроэнергии. Ввиду того, что параллельная работа на сеть всех трёх генераторов переменного тока (Ту - 154М) данного типа не применяется ввиду сложности регулирования частотно -фазовых параметров тока (в отличие от генераторов постоянного тока), генераторы подключены на свои отдельные цепи. При этом отказ даже одного из генераторов влечёт за собой невозможность использования некоторых цепей и значительное увеличение времени срабатывания систем, которые за-питываются от нескольких генераторов (например, система перемещения предкрылков и стабилизатора).
Генераторы эксплуатируются по назначенному ресурсу, но бывают и случаи преждевременного выхода их из строя в результате отказа механической или электрической систем. С механической точки зрения генератор представляет собой машину с ротором, установленным в подшипниках качения. Подшипники качения не имеют собственной принудительной системы смазки и являются потенциально слабым элементом генератора. Ротор генератора также подвержен воздействию центробежных нагрузок и нагрузок от эволюции самолёта, что может явится причиной возникновения трещин в роторе, что в свою очередь, приводит к изменению вибросостояния генератора. В большинстве случаев механический отказ генератора сопровождается заклинением ротора и срезом приводной рессоры.
На самолёте Ту - 154М генератор ГТ - 40ПЧ6 устанавливается на задней коробке приводов (ЗКП) (рис.2).
Рис. 1. Лазерный вибродатчик в составе аппаратуры вибродиагностирования «Кварц»
Рис. 2. Генератор ГТ - 40ПЧ6 (справа снизу) на ЗКП двигателя Д - 30КУ - 154
Такое крепление генератора значительно облегчает доступ к нему с помощью лазерного вибродатчика. Виброизмерение легко проводится с земли с наведением лазера либо на корпус генератора, либо на нижнюю часть ЗКП рядом с фланцем крепления генератора.
Для мониторинга технического состояния генератора используется алгоритм БПФ. Спектральный анализ позволяет выявить составляющую роторной вибрации генератора и определить виброскорость ротора и определить его обороты. Проведение замеров на серии двигателей показало, что виброскорость ротора на рабочей частоте вращения (100Гц или 6000 об/мин, двигатель на режиме малого газа) не превышает 3 мм/с. Но в одном из замеров виброскорость достигла отметки 12,7 мм/с (электропараметры работы генератора были в норме). Такое высокое значение виброскорости свидетельствует об отклонении в механическом состоянии генератора и наличии дисбаланса ротора (рис. 3). Причиной такой вибрации может быть ошибка при сборке, вызвавшая повышенный остаточный дисбаланс (это предположение вызвано тем, что при последующих замерах уровень вибрации не изменялся), повышенный зазор в подшипниках, трещина в роторе.
12 О)
мм/с > СО С
О ^
4 ч 3 чГ
2 0 I £
3 к )0 200 300 400 500 600 700 800 900 10<
Гц
Рис. 3. Дисбаланс ротора генератора ГТ - 40ПЧ6
Для углубленной диагностики генератора необходимо применять механизм спектрального анализа огибающей высокочастотной вибрации при наведении лазерного луча непосредственно на корпус генератора (чтобы исключить вредные помехи, идущие от коробки приводов). Но даже упрощённая диагностика с использованием алгоритма БПФ и лазерного измерителя вибрации позволяет значительно повысить вероятность обнаружения дефектов генератора в условиях наземного запуска.
Ещё одним важным роторным агрегатом самолёта является турбохолодильник. Турбохолодильники (ТХ) (как правило, два турбохолодильника устанавливаются на самолёте) включены в систему кондиционирования воздуха. Они выполняют роль вторичных узлов охлаждения после воздухо-воздушных радиаторов (ВВР).
ТХ является агрегатом роторного типа и имеет в своём составе один ротор с закреплёнными на нём рабочими колёсами. Ранее, ТХ содержали только две крыльчатки: крыльчатка компрессора и турбины. В настоящее время ТХ содержат уже три крыльчатки для повышения эффективности. Таким, например, является ТХ установки охлаждения воздуха самолёта Ту-214.
В настоящее время на самолётах техническое состояние ТХ практически не контролируется (в том числе не измеряются вибрация и обороты ротора, не контролируются параметры собственной маслосистемы ТХ), что является значительным недостатком, учитывая высокую его стоимость. Очень часто предписанная система ТО для ТХ, а именно система ТО по назначенному ресурсу, себя не оправдывает, и они часто выходят из строя задолго до планового момента вывода их из эксплуатации.
Одним из самых уязвимых элементов современных ТХ являются подшипники качения. Об этом свидетельствует основной результат выхода из строя - заклинивание ротора. Это связано с тем, что подшипники ТХ не имеют принудительной системы смазки с высоким давлением. Недостаточная подача смазки при наличии тяжёлых условий работы (большой расход горячего воздуха через ТХ) пагубно воздействует на подшипники, приводя к досрочному отказу узла. На рис. 4 приведены фотографии ТХ, отказ которого произошёл в результате заклинения подшипников. Как видно, такой ТХ уже невозможно отремонтировать и предприятие вынуждено нести финансовые потери.
В ТХ самолёта Ту-214 (рис. 5) ротор установлен в воздушных подшипниках, чтобы исключить проблемы, связанные со смазкой.
Но возможность касания статора в результате постепенного ухудшения, например, динамической соосности быстро вращающегося ротора со статором, не исключена.
Как и в случае ТХ с подшипниками качения, так и в современных ТХ с воздушными подшипниками, любое отклонение от соосного вращения и возникающие при этом прецессионные движения приводят к изменению вибросостояния ТХ.
Изменение вибросостояния является чувствительным параметром, определяющим техническое состояние агрегата.
В эксплуатации возникает вопрос определения оборотов ротора ТХ для выявления отклонений в работе ветвей охлаждения воздуха системы кондиционирования, а также и отклонений в функционировании самого ТХ. Но при существующей бортовой аппаратуре это является невозможным. Единственным средством для определения вибропараметров и оборотов ротора ТХ является лазерная виброаппаратура. Применение лазерного вибропреобразователя исключает проблему наличия места крепления вибродатчика или наличия ферромагнитного металла в конструкции для его примагничивания к корпусу.
Автором были проведены экспериментальные измерения виброскорости корпуса ТХ на самолёте Ту-214 при установленном постоянном расходе воздуха. Целью измерений было определение частоты вращения ротора и величины виброскорости на роторной частоте. Для этого были выбраны точки, максимально приближенные к воздушным подшипникам. Модуляция зазора по углу поворота и связанное с этим синхронное изменение динамической воздушной нагрузки на корпус в местах установки воздушных подшипников приводят к тому, что несмотря
Рис. 4. Результат заклинивания подшипников ротора ТХ самолёта Ту-154
Рис. 5. ТХ самолёта Ту-214
на отсутствие механического контакта между ротором и статором вибрация улавливается на корпусе ТХ.
На рис. 6 и 7 приведены спектры виброскорости левого и правого ТХ. По спектрам можно судить о вибросостоянии агрегатов, определить обороты роторов, а также разницу в работе агрегатов (например, в данном случае частота вращения левого ТХ (28350 об/мин) ниже, чем правого ТХ (30650 об/мин).
0,3 0,25
0,2
и
| 0,15 0,1 0,05 0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Рис.6. Спектр виброскорости левого ТХ
0,25
0,2
0,15
и 5 5
0,1 0,05 0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Рис. 7. Спектр виброскорости правого ТХ
Проводя виброизмерения через определённый период времени (например, во время проведения очередной трудоёмкой формы ТО), необходимо отслеживать изменения в уровнях дискретных составляющих в спектре вибросигнала. По этим изменениям (в особенности, по изменению уровня виброскорости на частоте вращения ротора) можно судить об изменениях в работе ТХ и заблаговременно принять решение о его дальнейшей эксплуатации.
Из изложенного выше следует, что портативный виброанализатор в комплексе с лазерным вибродатчиком является мощным инструментом для определения технического состояния различных приводных агрегатов и роторных узлов ВС. При относительно низкой себестоимости и
Оборотная ротора: 512 Гц
ДМІМ
Оборотная ротора: 472 Г ц
высокой скорости проведения измерений такие системы во многом облегчат проведение технического обслуживания путём своевременного выявления отклонений в работе агрегатов и системы в целом. Своевременное выявление предотказного состояния агрегата позволит снизить затраты на его ремонт, что автоматически ведёт к повышению экономической эффективности ТО.
GROUND CONDITION ANALYSIS OF AIRCRAFT ONBOARD ROTARY EQUIPMENT OPERATION BY MEANS OF LASER-BASED VIBRATION DIAGNOSTICS
Ozerov A.V.
In the article it is introduced experimental data analysis of onboard aircraft rotary equipment vibration diagnostics by means of laser-based vibration transducer
Сведения об авторе
Озеров Андрей Владимирович, 1982 г.р., СПбГУ ГА (2005), инженер АТБ ФГУП «ГТК «Россия», г. Санкт-Петербург, аспирант кафедры №26 «Диагностика и неразрушающий контроль технических систем» СПбГУ ГА, область научных интересов - неразрушающий контроль и техническая диагностика изделий авиационной техники.
