CC BY
159
2013
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
№ 192
УДК 629.735.083.071.06
АНАЛИЗ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО МЕТОДА И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ К ДИАГНОСТИКЕ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Д.С. БОЛЬШОВ, Б.В. ЗУБКОВ
Рассматривается нарушение работоспособности узлов трения, изнашивание агрегатов систем, сцинтилляци-онный метод диагностики авиационных двигателей, спектральный анализ проб масла, оценка технического состояния авиационного двигателя.
Ключевые слова: частицы износа, сцинтилляционный метод, авиационный двигатель.
Введение
В настоящее время для оценки летной годности (ЛГ) авиационных двигателей (АД) значительно развиваются методы оперативной диагностики, основанные на различных физических принципах, позволяющие контролировать параметры узлов, компонентов и агрегатов. На современном этапе требуется обобщенная оценка состояния технических систем для определения диагностической информации. Из-за высоких требований к точности распознавания объекта и получения информации возникает необходимость внедрения новых методов диагностики АД.
1. Анализ узлов трения по накоплению продуктов износа в масле
Опыт эксплуатации показывает, что часть отказов авиадвигателей связана с нарушением работы узлов трения из-за недопустимых износов. Процесс разрушения изнашиваемых элементов начинается, как правило, с разрушения поверхностного слоя материала под действием высоких контактных напряжений, что проявляется в виде отрывов частиц материала. При этом продукты износа уносятся маслом, циркулирующим в двигателе, а их наличие и концентрация могут служить сигналом возникновения неисправности.
Периодические осмотры маслофильтров при ТО не всегда эффективны, так как 98% частиц имеют размер менее 5 мкм, а ячейки фильтрующих элементов - 7,0- 14,0 мкм. Количество продуктов износа, поступающих в масло, зависит от скорости изнашивания, которая, в свою очередь, связана со степенью повреждаемости элемента. На этапе окислительного изнашивания, которое всегда имеет место при нормальной эксплуатации эти скорости невелики, в то время как при нарушений условий работы скорость изнашивания резко увеличивается. Каждому виду износа соответствует определенный вид и состав продуктов. В зависимости от физического состояния трущихся деталей и характера их взаимодействия в различных узлах трения авиадвигателя возможны следующие виды износа:
- усталостный при трении скольжения с образованием обычных мелких частичек прямоугольной формы;
- усталостный при трении качения с образованием тонких частичек в виде шариков;
-адгезионный с образованием частиц в виде прямоугольников;
- коррозионный с образованием пластин, измельченных до тончайшей пыли;
-абразивный с образованием частиц размером 1.. .15 мкм.
По химическим компонентам продуктов износа идентифицируют следующие элементы авиационного двигателя, омываемые маслом:
- по железу (тела качения, шестерни, рессоры, детали уплотнения и др.);
- по меди (подпятники, маслоуплотнительные кольца, бронзовые и латунные сепараторы подшипников);
- по серебру (посеребренные сепараторы подшипников).
В качестве критерия при установлении технического состояния двигателя используется скорость изменения концентрации продуктов износа в смазывающем масле. Это значение получают в результате анализа проб масла, взятых из нижней точки маслосистемы двигателя через определенные промежутки времени (обычно через 50 часов). Что касается концентрации продуктов износа, то у исправных двигателей это значение для железа редко превышает 3,0 грамма на тонну масла (г/т). Обычно основанием для постановки двигателя на особый контроль служат концентрации 6,0...8,0 г/т. Для элементов Cu, Al, Cr, Ni предельная концентрация составляет от 2,0 до 4,0 г/т. Предлагается сцинтилляционный метод диагностики авиационных двигателей для определения концентрации продуктов износа с помощью спектрального анализа проб масла.
2. Анализ сцинтилляционного метода как метода диагностики авиационных двигателей
Для повышения качества диагностики авиационных двигателей, повышения достоверности информации и качества диагноза рассмотрим сцинтилляционный метод диагностики АД. Изучение понятия сцинтилляция позволит расширенно представить этот метод. Сцинтилляция (от латинского scintillation - мерцание) - кратковременная световая вспышка (вспышка люминесценции), возникающая в сцинтилляторах под действием ионизирующих излучений [1]. Впервые этот эффект визуально наблюдал У. Крукс (1903) при облучении а-частицами экрана из ZnS . Атомы или молекулы сцинтиллятора за счет энергии заряженных частиц переходят в возбужденное состояние; последующий переход из возбужденного в нормальное состояние сопровождается испусканием света - С. Механизм С, её спектр излучения и длительность высвечивания зависят от природы люминесцирующего вещества. Яркость С зависит от природы заряженных частиц и от энергии частицы, передаваемой при её пробеге в веществе (например, С а-частиц и протонов значительно ярче С в-частиц). Каждая С - результат действия одной частицы; это обстоятельство используют в сцинтилляционных счетчиках для регистрации элементарных частиц. Сцинтилляционный метод основан на спектральном анализе проб жидкостей. Спектральный анализ - совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на излучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др. В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральный анализы позволяют определять элементарный и молекулярный состав вещества соответственно. В эмиссионном и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения. Масс- спектральный анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта. Сцинтилляционный метод диагностики авиационных двигателей - это метод, основанный на спектральном анализе жидкостей систем авиационных двигателей, в результате которого можно получить качественную, точную и достоверную информацию о наличии посторонних частиц в жидкостях.
3. Оценка технического состояния авиационных двигателей по результатам спектрального анализа проб масла
Для оценки технического состояния сцинтилляционным методом авиационных двигателей требуется проведение эксперимента - спектральный анализ проб масла. На основе данного эксперимента можно говорить о применимости данного метода к диагностике авиационных двигателей. В г. Иркутске был разработан анализатор масла сцинтилляционный САМ - ДТ - 01 (атомно-эмиссионный плазменный сцинтилляционный спектрометр), который дает возможность сделать оценку технического состояния авиадвигателей ВС, функциональных систем по
результатам анализа проб масла и спецжидкостей. САМ-ДТ работает в диапазоне изменения размеров частиц от единиц мкм до 80 - 100 мкм. Также на базе Иркутского университета гражданской авиации были выполнены исследования по спектральному анализу проб масла на двигателях ПС-90Ф и Д-30КУ/КП и сделана методика по выполнению данной работы, в результате которой произведен сцинтилляционный анализ частиц износа в пробе масла. В качестве примера рассмотрим двигатель ПС-90А. Наработка ресурса с начала эксплуатации (СНЭ): 4664 часов, наработка после последнего ремонта (ППР): 1640 часов, продукт отбора пробы: мт319а и смыв, точка отбора пробы: КП и МФРЛЬЬ. Результаты эксперимента сведем в табл. 1-4.
Таблица 1
Параметры частиц износа (продукт отбора пробы: мт319а, точка отбора пробы: КП)
Элемент N смл3 №р, смЛ3 Ср, г/т Сч, г/т С, г/т Б, мкм
Л1 0 0 0 0 0
Сг 0 0 0 0 0
N1 0,5 0,5 0 0 0 0,23
Мв 8,5 8 0 0,01 0,01 8,81
Ье 6,5 6 0 0,02 0,02 9,7
Си 2,5 2,5 0 0 0 2,47
Лв 0,5 0,5 0,05 0 0,05 2
V 0 0 0 0 0
Таблица 2
Состав и количество сложных частиц (продукт отбора пробы: мт319а, точка отбора пробы: КП)
Состав сложных частиц Количество
Сложных частиц нет Сложных частиц нет
Таблица 3
Параметры частиц износа (продукт отбора пробы: МФРЛЬЬ, точка отбора пробы: смыв)
Элемент N смЛ3 Я0 №р, смЛ3 Япр. Б, мкм V элем.
Л1 21,50 8,90 16,00 6,62 32,84 0,34
Сг 20,50 8,48 2,00 0,83 23,38 9,25
N1 9,50 3,93 3,00 1,24 6,47 2,17
Мв 1674,50 692,94 1629,00 674,12 14,98 0,03
Ье 527,50 218,29 467,50 193,46 11,30 0,13
Си 135,50 56,07 130,50 54,00 3,45 0,04
Лв 26,50 10,97 23,00 9,52 5,51 0,15
V 1,00 0,41 0,50 0,21 0,00 1,00
Таблица 4
Состав и количество сложных частиц (продукт отбора пробы: МФPALL, точка отбора пробы: смыв)
Состав сложных частиц Количество Рейтинг
Mg- Fe- 37 15,31
Cr- Fe- 11 4,55
Al- Mg- 3,5 1,45
Cr- Ni- Fe- 3,5 1,45
Mg- Cu- 2 0,83
Cr- Mg- Fe 1,5 0,62
Fe- Ag - 1,5 0,62
Al- Cr- Fe- 1 0,41
Cu- Ag- 1 0,41
Fe- Cu- 1 0,41
Ni- Fe- 1 0,41
Ag- V- 0,5 0,21
Al- Cr- Ni- Fe- 0,5 0,21
Al- Cr- Ni- Mg- Fe- Cu- 0,5 0,21
Cr- Ni- 0,5 0,21
Mg- Fe- Ag- 0,5 0,21
Ni- Fe- Cu- 0,5 0,21
Сравнение параметров износных частиц в пробах масла с КП двигателя со статистической моделью исправного двигателя показывает, что превышений не наблюдается.
В смыве с маслофильтра PALL наблюдается высокий уровень рейтинга частиц магния.
Соотношение рейтингов железа и меди указывает на повышенное количество частиц износа в пробе масла, и в то же время высокий уровень рейтинга частиц магния в пробе смыва указывает на отсутствие источника частиц в коробке приводов на момент взятия пробы масла.
Возможно наблюдался разовый выброс частиц в маслосистему двигателя, которые затем осели на фильтроэлементах. При этом, обнаружение магния идентифицируется как повышенный износ сплава МЛ - 5 (корпус маслоагрегатов).
Поскольку ни в смыве, ни в масле не наблюдаются превышения параметров частиц легирующих элементов, в том числе ванадия, техническое состояние трансмиссионной части двигателя в пределах нормы.
Выводы: возможно развитие дефекта в ЦП (дефект в ЦП, шестерня КВД после смещения вперед задевала о корпус ЦП, изготовленного из сплава МЛ-5).
Аналогичные исследования были проведены на рабочей жидкости гидросистем ВС, которые показали возможности сцинтилляционного диагностирования гидросистем. Поэтому можно сделать вывод, что предложенный метод может использоваться практически для всех жид-костно-газовых систем ВС.
В настоящее время имеются техсправки о результатах исследований двигателей, на которых имели место отказы, связанные с работой узлов, омываемых маслом по результатам сцин-тилляционного анализа. Количество двигателей, имевших внешние признаки проявления дефектов маслосистемы - 89. В 76 случаях источник дефекта был определен по результатам сцин-тилляционных измерений с точностью до узла (функциональной системы) и подтвержден при исследованиях. Шесть двигателей не исследованы или не доставлены на предприятие. На семи двигателях был неверно определен источник образования стружки и повышенного содержания железа и меди в масле.
Исследования показывают применимость сцинтилляционного метода к диагностике авиационных двигателей, как наиболее точного и качественного метода диагностики авиационных газотурбинных и турбовентиляторных двигателей [2]. Метод сцинтилляции применим как к российским авиадвигателям, так и к двигателям иностранного производства, если будет одобрение данного метода Европейскими авиационными властями.
Заключение
Разработанная технология сцинтилляционного диагностирования обеспечивает как оценку технического состояния узлов в двигателе в целом, так и локализацию повреждаемых узлов. Исследования сцинтилляционным методом авиационных двигателей показывают, насколько точно можно определить наличие посторонних частиц в масле, применимость данного метода к диагностике газотурбинных и турбовентиляторных двигателей. Сцинтилляционный метод позволяет значительно повысить достоверность и качество диагноза за счет увеличения объема диагностической информации и снижения влияния видов повреждения на правильность принятия диагностического решения, повысить безопасность эксплуатации газотурбинных и турбовентиляторных двигателей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1969 - 1978.
2. Машошин О.Ф. Диагностика авиационной техники (информационная основа): учеб. пособие. - М.: МГТУ ГА, 2007.
ANALYSIS SCINTILLATION OF THE METHOD AND ITS APPLICATION TO DIAGNOSTICS OF AVIATION ENGINES
Bolshov D.S., Zubkov B.V.
Infringement is considered of working capacity of knots of a friction, wear process of units of systems, scintillation a method of diagnostics of aviation engines, the spectral analysis of tests of oil, the an estimation of a technical condition of the aviation engine is considered.
Key words: deterioration particles, scintillation a method, the aviation engine.
Сведения об авторах
Большов Денис Сергеевич, 1987 г.р., окончил МГТУ ГА (2009), аспирант МГТУ ГА, область научных интересов - управление, безопасность полетов, летная годность ВС.
Зубков Борис Васильевич, 1940 г.р., окончил КИИГА (1966), действительный член Академии наук авиации и воздухоплавания, доктор технических наук, профессор кафедры безопасности полётов и жизнедеятельности МГТУ ГА, автор более 140 научных работ, область научных интересов - вопросы обеспечения безопасности полётов и жизнедеятельности, авиационной безопасности.
