Автоматизована система моніторингу поточного технічного стану паливних форсунок газотурбінних двигунів Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 681.3.069:681.3.015

М. С. Кулик, Ю. М. Чоха, О. П. Федорчук

АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА МОН1ТОРИНГУ ПОТОЧНОГО ТЕХН1ЧНОГО СТАНУ ПАЛИВНИХ ФОРСУНОК ГАЗОТУРБ1ННИХ ДВИГУН1В

Описано технолог1ю застосування автоматизовано!системи д1агностування палив-них форсунок газотурб1нних двигунв, яка дозволяе оперативно \ без демонтування визна-чати !Х поточний техн1чний стан в умовах експлуатаци.

Закоксування робочих паливних форсунок (РПФ) е однею iз характерних несправностей ка-мери згоряння (КЗ) газотурбЫних двигунв (ГТД), яке вщбуваеться у процес експлуатаци i призво-дить до нерiвномiрного розпилу палива. Це, в свою чергу, призводить до нерiвномiрного поля температур, що спричиняе виникнення мюцевого пере-грiвання, оплавлення, прогарiв жарових труб камер згоряння тощо. Для запобтання цьому у деяких типах двигунiв нормативною документацею по 'х технiчному обслуговуванню передбачено оцiнку закоксування паливних форсунок, яку здмснюють шляхом послiдовного знмання форсунок з двигу-на i вимiрювання за допомогою спецiальних мета-левих пластинок (щупiв) рiзноí товщини [1] вели-чини зазору мж внутршньою стiнкою корпусу форсунки i корпусом розпилювача, який зменшуеться при нарощуваннi нагару i на мУмальну величину якого даеться допуск.

Таким способом користуються згiдно з регламентом технчного обслуговування [2] пюля напра-цювання двигуном певного ресурсу. До недолив цього способу слщ вiднести неможливiсть оперативно! оцнки технiчного стану РПФ в умовах регулярно!' експлуатаци, його застосування вщзначаеть-ся значною працеемнютю, а також цей спосiб не дозволяе здмснювати вимiрювання ступеня закоксування форсунок без 'х демонтування з газотурб-iнних двигунiв.

Для усунення цих недолив може бути застосо-вана автоматизована система монторингу поточного технiчного стану РПФ ГТД, в основу роботи яко''' покладено одночасне застосування комбЫацп штатно''' системи контролю та реестраци значень параметрiв двигуна, що забезпечуе вимiр поточ-них значень параметрiв двигуна на певному дiаг-ностичному режимi його роботи, з автоматизова-ною розрахунково-дiагностичною системою, яка, в свою чергу, забезпечуе приведення вимiряних по-точних значень параметрiв до стандартних атмос-ферних умов (САУ), 'х порiвняння iз заздалегiдь вимiряними, зареестрованими й приведеними до САУ значеннями тих же параметрiв на початку експлуатаци двигуна на тому ж дiагностичному режимi його роботи i визначення технiчного дiагнозу щодо

© М. С. Кулик, Ю. М. Чоха, О. П. Федорчук, 2007

ступеня закоксування паливних форсунок за зна-ченнями крт^ального дiагностичного показника, та системою Ыдикаци, яка забезпечуе оперативне автоматичне Ыформування авiаперсоналу про виз-начений поточний ступiнь закоксування паливних форсунок без 'х демонтування з двигуна, що дiаг-ностуеться.

Автоматизована система монiторингу поточного технчного стану РПФ ГТД, структурно-функцю-нальна схема яко''' представлена на рис. 1, працюе за алгоритмом, зображеним на рис. 2, наступним чином.

Авiаперсонал, що обслуговуе даний екземпляр газотурбЫного двигуна, рееструе за допомогою приладiв штатно''' системи контролю 1 (рис. 1) на певному дiагностичному режимi роботи двигуна поточн значення годинно' витрати палива 2 (Бпалпот) та тиску палива перед форсунками 3 (Рф пот), а також по контрольному талону 4 пали-возаправника щтьнють сорту заправленого палива (рф пот). Ц значення контрольованих параметрiв вводять через клавiатуру на вхiд автоматизовано'' розрахунково- дiагностичноí системи 5 у блок реестраци вхiдних параметрiв 6, в якому за спецаль-ною розрахунковою програмою параметри приво-дяться до САУ. При цьому одночасно у блок - архiв 7 вводять щентифкацмний номер даного екземп-ляра двигуна, що дiагностуеться, в якому збер^ гаеться заздалегiдь введена Ыформаця щодо значень контрольованих параметрiв даного двигуна, якi зареестрован на початку його регулярно'' експлуатаци на тому ж дiагностичному режимк Пiсля iдентифiкацií двигуна, що дiагностуеться, з блоку реестраци вхщних параметрiв 6 та з блоку - архiву 7 автоматично на вхщ розрахункового блоку 8 по-даються поточнi значення контрольованих пара-

метPiв (впал. пот, РФ.пот, рФ.пот) та еталоннi значен-ня контрольованих параметрiв даного двигуна (епал0, Рф.0, РФ0). У розрахунковому блоцi 8 автоматично здмснюеться обчислення поточного значення узагальненого дiагностичного показника (УДП) ступеня закоксування паливних форсунок двигуна (фф пот) за наступним спввщношенням [3]:

о

ч

0

1

13

о

"О

4

5

СО

о

Я

СО ч "О

о ь о

Я

ы

Рис. 1. Структурно - функцюнальна схема автоматизованоТ системи моыторингу поточного техычного стану паливних форсунок газотурбЫних двигуыв:

1 - штатна система контролю та реестраци параметр1в ГТД; 2 - прилад вим1рювання поточно!' годинноТ витрати палива; 3 - прилад вим1рювання поточного тиску палива перед форсунками; 4 - контрольний талон паливозаправника; 5 - автоматизована розрахунково - д1агностична система; 6 - блок реестраци вхщних параметр1в та приведения Тх до САУ \ д1агностичного режиму; 7 - блок - арх1в збереження початкових значень параметр1в конкретного екземпляра ГТД; 8 - розрахунковий блок обчислення поточних значень узагаль-неного д1агностичного показника (8фПот)\ 9 - блок-арх1в збереження експлуатацшного д1апазону УДП {8ф екс}; 10 - блок оцЫки належност1 поточних значень УДП ступеня закоксу-вання РПФ (8ф пот) експлуатацшному д1апазону {8ф екс}; 11 - система ¡ндикацм; 12, 13 - кольоров1 ¡ндикатори поточного ступеня закоксування РПФ конкретного екземпляру ГТД, що д1агностуеться; 14, 15 - кольоров1 табло в1зуал1зацп експлуатацшного р1шення за поточним ступенем закоксування РПФ конкретного екземпляра ГТД;

16 - ЕВПГ пристрш для вщновлення техн1чного стану РПФ; 17 - конкретний екземпляр ГТД, що д1агностуеться

Рис. 2. Алгоритм оцЫки поточного ступеня закоксування РПФ ГТД

(О пал. пот )пр (Р пал Рф )о

(О

пал. 0) пр ](р пал Рф) пот

де (впал. о)пр- (впал. пот)пр - в!дпов1дно початкова (зареестрована на початку експлуатаци у формуляр! двигуна) та поточна (зареестрована у будь-який момент експлуатаци цього ж двигуна) приведена до САУ годинна витрата палива; (рпалРф)о> (Рпал Рф)пот - в1дпов!дно початкове та поточне зна-чення добутку щ1льност1 сорту палива I тиску палива перед форсунками.

Обчислене у розрахунковому блоц1 8 поточне значення УДП (дф пот) ступеня закоксування РПФ автоматично подаеться на вх1д блоку 10 для оц1н-ки належност1 поточних значень УДП (дф пот) ступеня закоксування паливних форсунок визначено-му експлуатац1йному д1апазону {дф екс}, значення якого одночасно подаеться на вх1д блоку 10 з бло-ку-арх1ву 9 збереження експлуатацмного д1апазо-ну значень УДП ступеня закоксування РПФ пюля щентифкаци типу двигуна, що д1агностуеться. При цьому у блоц1 10 здмснюеться операц1я пор1внян-ня за наступними сп1вв1дношеннями [4]:

- якщо (1,0-дгвим) < дф.пот. < 1,0, де дгвим. -систематична похибка вим1рювання, то поточна

величина УДП (дф пот) знаходиться в межах доз-

воленого експлуатац1йного д1апазону {дф екс}, тоб-то техн1чний стан РПФ вважають справним, а Тх закоксування в1дсутн1м;

- якщо величина дф < (1,0-дгвим ), то поточна величина узагальненого д1агностичного показника (дф пот) знаходиться за межами дозволеного екс-плуатац1йного д1апазону {дф екс}, тобто техн1чний стан РПФ вважають несправним, юнуе Тх закоксування I призначають проведення профтактичних роб1т 1з використанням електро1мпульсного вакуум-но-пневмо-г1дравл1чного (ЕВПГ) способу очищен-ня в1д забруднень [5], та пристроТв, що його реал-1зують, незалежно в1д часу напрацювання даного двигуна.

Визначена у блоц1 10 оц1нка належност1 поточних значень УДП ступеня закоксування РПФ виз-наченому експлуатацмному д1апазону використо-вуеться у якост1 вх1дноТ Ыформаци у систем! Ыди-каци 11. При цьому у випадку одержання оц1нки щодо належност1 поточноТ величини узагальненого д1агностичного показника (дф пот) ступеня закоксування РПФ дозволеному експлуатацмному д1апазону {дф. еКс}, тобто дф.пот е {дф. екс}, Ця ¡нфор-мац1я автоматично висвптпюеться на "зеленому" 1ндикатор1 12, в1д якого одночасно спрацьовуе "зе-лене" табло 14 в1зуал1заци експлуатац1йного ршен-ня для ав1аперсоналу щодо визначеного допусти-

мого ступеня закоксування РПФ даного екземпля-ру двигуна, що дiагностуeться. У випадку одер-жання оцiнки щодо неналежностi поточноТ величи-ни УДП (дф пот) недопустимому експлуатацiйному дiапазону {дф еК1), тобто дФЛот. г {дф.екЗ, Ця ^фор-мацiя автоматично висвптлюеться на "червоному" iндикаторi 13, вщ якого одночасно спрацьовуе ' 'чер-воне" табло 15 вiзуапiзацN експлуатацйного ршен-ня для авiаперсонапу щодо визначеного недопустимого ступеня закоксування РПФ даного екземп-пяру двигуна 17, що дiагностуeться. При цьому його експлуатацю припиняють i здмснюють вщнов-пення технiчного стану форсунок за допомогою ЕВПГ способу очищення вщ забруднень, та одного з пристроТв 16, що його реапiзуe, який найбiпьш доцiпьно використати.

Працездатнють та ефективнiсть застосування вищеописаноТ автоматизованоТ системи монторин-гу для оперативного вимiрювання ступеня закоксування папивних форсунок газотурбЫних двигунiв перевiрена експериментально на натурному газо-динамiчному стендi газотурбiнного двигуна А1-25 шляхом послдовного випробування двигуна як iз повним комплектом паливних форсунок, так i при поспiдовному загпушеннi однеТ, двох i т.д. форсунок. При цьому вимiрювались значення годинноТ витрати палива i тиску палива перед форсунками на штатних усталених режимах роботи двигуна вщ режиму малого газу до номЫального. Так, наприк-лад, для крейсерського режиму роботи двигуна (0,85 ном.) заф^совано наступн значення контро-льованих параметрiв та розрахованi сигнапiзатором значення узагальненого дiагностичного параметра й оцнки Тх напежностi експпуатацiйному дiапазону з вiзуалiзацieю експпуатацiйного рiшення (табл. 1).

Порiвняльнi розрахунково-експериментапьнi значення критерив оперативност (тривапостi) про-

3

цесу дiагностування = ^(складаеться iз

1=1

наступних етапiв: збiр i обробка дiагностичноí Ыформаци Ухо); аналiз i розпiзнавання ТС РПФ прийняття експпуатацiйного рiшення (tR2))та працеемностi вiдновпення технiчного стану закок-сованих паливних форсунок камер згоряння типо-

3

вих ГТД = £Тш (складаеться iз наступних

1=1

етапiв: збiр i обробка дiагностичноТ Ыформацп (Т^); анапiз i розпiзнавання ТС РПФ (Тх^); прийняття експпуатацiйного рiшення (Т^) (А1-25 та Д-30КП) iз використанням ЕВПГ очищення, визначен iз ви-користанням нормативно-статистичних та експери-ментальних даних, представлено у таблиц 2.

Порiвняльний аналiз показуе, що тривалсть процесу дiагностування паливних форсунок ГТД зазначених типв за допомогою юнуючих методик, технопогiй i штатних засобiв оцiнки ТС форсунок, якi передбачають Тх обов'язкове демонтування з двигуна, займае близько 12 год., а працеемнють робп" по очищенню вщ закоксування комплекту (12 шт.) форсунок становить 26-28 люд .-год. При зас-тосуванн системи автоматизованого монторингу ступеня закоксування паливних форсунок ГТД тривалють процесу дiагностування комплекту форсунок становить 0,20 год. (для А1-25) та 0,15 год. (для Д-30КП), що вщповщно у 60 та 80 разiв менше, нж у поточний час. Це дозволяе оперативно зас-тосовувати запропонований автоматизований мон-торинг поточного ТС форсунок у мжпольотний пе-рiод оперативного технiчного обслуговування ГТД. Працеемнсть же процесу вщновлення ТС комплекту закоксованих форсунок при застосуванн ЕВПГ способу та пристроТв, що його реалiзують, змен-шуеться вщповщно у 2,24 рази для А1-25 та у 2,0

Параметри Коефiцieнт справност паливних форсунок

1,0 (повний комплект форсунок) 0,92 (без одше! форсунки) 0,83 (без двох форсунок) 0,75 (без трьох форсунок)

Ополпр, кг/год 487,5 490 496 500

Рф, кг/см2 18,5 21,5 24,5 29,5

8ф 1,0 0,932 0,884 0,812

Належнiсть 8ф.^{1,0; 0,95} 8Ф.пот^ {8Ф.екс} 8Ф.потг {8Ф.екс} 8Ф.потг {8Ф.екс} 8Ф.потг {8Ф.екс}

Ступiнь закоксування паливних форсунок Допустимий Недопустимий Недопустимий Недопустимий

Експлуатацiйне рiшення Дозволити подальшу експлуатацiю двигуна Заборонити подальшу експлуатацiю двигуна. Виконати ТО палив-них форсунок. Заборонити подальшу експлуатащю двигуна. Виконати ТО палив-них форсунок. Заборонити пода-льшу експлуатацiю двигуна. Виконати ТО па-ливних форсунок

Таблиця 1 - Результати експериментального моделювання несправност паливних форсунок газо-турбiнного двигуна А1-25 та роботи сигнапiзатора

—0т19яяяяяВестникядвигателестроенияя1 1/п007

- 129 -

Таблиця 2 - Порiвняльнi розрахунково-експериментальн значення оперативносл та працеемносл вiдновлення технiчного стану типових авiадвигунiв на прикладi дiагностування та очищення вщ закоксу-вання паливних форсунок камер згоряння

Показники А1-25 Д-30КП

штатна СКД та штатш засоби очищення форсунок штатна СКД + автома-тизована система мош-торингу ТС РПФ ГТД + спойб i засоби ЕВПГ очищення форсунок штатна СКД та штатш за-соби очи-щення форсунок штатна СКД + автоматизована система мош-торингу ТС РПФ ГТД + спойб i засоби ЕВПГ очищен-ня форсунок

Тривалють дiагностування ступеня закоксування комплекту форсунок R (г°д) 12 0,20 12 0,15

Працеемшсть очищення вщ комплекту форсунок TR? (люд.-год.) 28 12,50 26 12,50

рази для Д-30КП пор1вняно з юнуючими нормативами на цю технолог1чну операцю

Таким чином використання автоматизованоТ си-стеми мон1торингу поточного техн1чного стану паливних форсунок газотурбЫних двигун1в дозволяе у дек1лька десятк1в раз1в знизити тривал1сть техно-лог1чного процесу д1агностування ступеня закоксу-вання форсунок, а використання при цьому способу та засоб1в ЕВПГ очищення форсунок вщ закок-сування приводить до суттевого зниження працеемносл цього технолог1чного процесу для комплекту паливних форсунок ГТД.

Перелшпосилань

1. Инструкция по эксплуатации авиационного турбовинтового двигателя АИ - 20. - М.: Транспорт, 1970.

2. Регламент технического обслуживания ТВД АИ - 20. - М.: Транспорт, 1970.

3. Чоха Ю.Н., Федорчук А.П. Диагностирование степени неисправности рабочих топливных форсунок ГТД в условиях эксплуатации. // Вестник двигателестроения. - Запор1жжя: ОАО "Мотор С1ч", 2005. - № 1. - С. 103-105.

4. Пат. 18263 УкраТна, МПК Р02М61/00. Ком-б1но-ваний спос1б оперативного вим1рювання ступеня закоксування паливних форсунок ГТД / Ю.М. Чоха, В.О. 1гнатов, М.С. Кулик, О.П. Федорчук. - НАУ. - № 2006 02030. Заявл.

24.02.2006. Опубл. 15.11.2006; Бюл. №11.

5. Чоха Ю.Н., Федорчук А.П. Электромеханический способ очистки конструктивных элементов ГТД в эксплуатации // Вестник двигателестроения. - Запорiжжя: ОАО "Мотор W, 2005. -№ 3. - С. 127-130.

6. Заявка №2006 09625 УкраТна, Сигналiзатор автоматизований Ыформативно^агностичний для оперативного вимiрювання ступеня закоксування паливних форсунок газотурбЫних дви-гуыв / Чоха Ю.М., Кулик М.С., Литвиненко О.е., Федорчук О.П. Заявлено 12.08.2006 р.

Поступила в редакцию 16.02.2007

Описана технология применения автоматизированной системы диагностирования топливных форсунок газотурбинных двигателей, которая разрешает оперативно и без демонтирования определять их текущее техническое состояние в условиях эксплуатации.

Described is the technology of using automated system of diagnostics of fuel nozzles in gas turbine engines enabling to determine expediently and without dismantling their current state in operation.

13Ц-