CC BY
52
2007 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА №123
Серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники
УДК 629.735
ПРИМЕНЕНИЕ АЛГОРИТМА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ АВИАДВИГАТЕЛЯ Д-36
С.А. ТОРБЕЕВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Пивоваровым В.А.
В статье описаны результаты работы с математической моделью авиадвигателя Д-36 устанавливающей приближённую математическую связь между параметрами, ранее представленной в предыдущих работах автора. Предложенная модель позволяет вычислить т. н. диагностические коэффициенты, по характеру изменения которых можно оценивать техническое состояние основных узлов двигателя. Приведены примеры трех двигателей Д-36, находившихся в различных технических состояниях.
Основой алгоритма диагностирования проточной части служит математическая модель, описанная в статье «Диагностика проточной части авиационных ГТД на примере ТРДД Д-36», в основе которой заложен принцип режимного равенства мощностей роторных модулей двигателя и подбор теплоперепада на турбине [1].
Выполнено исследование ряда двигателей с применением методики диагностирования проточной части, описанной в статье «Диагностирование ТРДД Д-36 с использованием новой математической модели» [2].
В качестве исходных используются данные параметрической информации (частота вращения валов вентилятора низкого и высокого давления) и параметры внешних атмосферных условий (давление воздуха на входе, скорость полёта, плотность воздуха на входе, температура воздуха на входе), содержащиеся в «Картах регистрации сведений о работе двигателей объекта Як-42 в рейсе».
Из условия режимного равенства мощностей рабочего колеса и турбины на валу ротора вентилятора выполняется подбор теплоперепада на ступенях турбины вентилятора БТ3 [2]. Достижение равенства расчётной температуры газов за турбиной низкого давления и фактическим её значением (измеренным) осуществляется подбором значения условной теплотворной
способности топлива, т.е. коэффициента 1.
Применение алгоритма диагностирования проточной части для исследования технического состояния двигателей Д-36 рассмотрим на ряде примеров:
1. Двигатель Д-36 № 7083602301014 выпущен 16.11.1993 г. на Запорожском моторостроительном заводе «Мотор - Сич».
За время эксплуатации на двигателе произведён один капитальный ремонт (19.09.2005г.) на предприятии изготовителе. До первого капитального ремонта двигатель наработал 6996 часов. При очередном продлении ресурса были обнаружены забоины на рабочих лопатках КНД и КВД и двигатель был отстранён от эксплуатации. После первого капитального ремонта двигателю установлен назначенный ресурс - 24000 часов и межремонтный ресурс - 4000 часов.
После выполнения капитального ремонта двигатель эксплуатируется на ВС Як-42 № 42526 (СУ № 3).
Выполнен расчёт выходных параметров двигателя по приведённой в [2] методике в конкретных полётных условиях и сделан анализ их изменения в интервале наработки от 0 часов до 1655 часов налёта. Результаты расчётов за ряд полётов представлены в табл. 1.
По полученным данным построены диаграммы изменения диагностических коэффициентов основных узлов двигателя (вентилятор - ЕС1, КНД - ЕС2, КВД - ЕС3, ТВД - ЕТ1, ТНД - ЕТ2, турбина вентилятора - ЕТ3) по наработке (рис. 1-6) и обнаружены следующие закономерности:
- диаграммы изменения ЕС2 и ЕС3 по времени наработки качественно подобны (возрастанию величины ЕС2 в точности соответствует возрастание величины ЕС3 (рис. 3 и 5). Убыванию ЕС2 соответствует убывание ЕС3 . Аналогично в процессе наработки изменяются величины ЕТ2 и ЕТ3 (рис. 4 и 6).
- диаграммы изменения величин ЕС2, ЕТ2 и ЕС3, ЕТ1 по времени наработки имеют противоположные направления изменений (возрастанию ЕС2 соответствует убывание ЕТ2 и наоборот (рис. 3 и 4)). Так же изменяются коэффициенты ЕС3 и ЕТ1 (рис. 5 и 6).
Таблица 1
Результаты расчёта выходных параметров дв. № 7083602301014
Расчётные значения
Дата. Рейс. Дата. Рейс. Дата. Рейс. Дата. Рейс. Дата. Рейс. Дата. Рейс.
Пара- Наработка. Наработка Наработка Наработка Наработка Наработка
метр 14.10.2005. 10.12.2005. 10.01.2006. 09.02.2006. 20.03.2006. 25.04.2006.
№ 6288 № 275 № 9731 № 135 № 295 № 131
0 ч 275 ч 405 ч 603 ч 804 ч 1000 ч
БТ3 72,95 67,93 71,53 72,67 69,26 66,38
X 4,98 х 104 4,91 х 104 4,89 х 104 5,3 х 104 5,24 х 104 5,24 х 104
ЕС1 0,8418 0,8814 0,8437 0,7816 0,8386 0,8696
ЕС2 1,0455 0,9995 0,9001 0,9643 0,996 1,063
ЕС3 0,6109 0,5948 0,5408 0,5699 0,5897 0,6152
ЕТ1 1,0992 1,0981 1,1593 1,1379 1,1099 1,1001
ЕТ2 0,5221 0,5293 0,5614 0,5447 0,5323 0,5184
ЕТ3 0,8678 0,9097 0,9399 0,9103 0,8972 0,8762
Таблица 2
Расчётные значения
Дата. Рейс. Дата. Рейс. Дата. Рейс. Дата. Рейс. Дата. Рейс.
Параметр Наработка. Наработка Наработка Наработка Наработка
28.05.2006. 10.07.2006. 02.08.2006. 07.08.2006. 07.08.2006.
№ 137 № 183 № 275 № 172 № 174
1199 ч 1402 ч 1601 ч 1651 ч 1655 ч
БТ3 70,54 69,36 66,43 65,23 69,03
X 5,0 х 104 4,9 х 104 4,91 х 104 4,61 х 104 4,66 х 104
ЕС1 0,8533 0,9125 0,9229 1,0031 0,9597
ЕС2 0,9734 1,0539 1,0077 1,0289 1,0585
ЕС3 0,579 0,6186 0,594 0,6044 0,621
ЕТ1 1,1251 1,0791 1,1078 1,0903 1,0723
ЕТ2 0,5419 0,5139 0,5294 0,5183 0,5098
ЕТ3 0,8974 0,8556 0,8929 0,8727 0,8516
* Жирным шрифтом выделены входные параметры, которые подбираются в соответствии с [2].
Изменение ЕС1 с наработкой
Ъ ч
Рис. 1. Изменение ЕС1 с наработкой
Изменение ЕТ2 с наработкой
Ъ ч
Рис. 3. Изменение ЕС2 с наработкой
Изменение ЕТ1 с наработкой
^ ч
Изменение ЕТЗ с наработкой
^ ч
Рис. 2. Изменение ЕТ3 с наработкой
Изменение ЕС2 с наработкой
103 1
105;
ЦОС'
см ода и ш 0,96'
0,93
0.9'
0ЇЇ ■
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
^ ч
Рис. 4. Изменение ЕТ2 с наработкой
Изменеие ЕСЗ с наработкой
Ъ ч
Рис.5. Изменение ЕС3 с наработкой Рис. 6. Изменение ЕТ1 с наработкой
Данный двигатель находился в исправном состоянии, его эксплуатация продолжается. Будем считать, что установленные закономерности характерны для всех исправных двигателей.
2. Двигатель Д-36 № 7083602201016. Выпущен 08.12.1992 на Запорожском моторостроительном заводе «Мотор - Сич». За время эксплуатации на двигателе произведено два капитальных ремонта. Второй капитальный ремонт выполнен 05.12.2000 на авиаремонтном заводе №410ГА, после чего поступил в эксплуатацию и был установлен на самолёт Як-42 № 42363
правым двигателем 04.09.2001. Двигателю установлен межремонтный ресурс 3000 ч и назначенный ресурс 11585 ч.
В период эксплуатации после второго капитального ремонта, при выполнении технического обслуживания, на двигателе обнаружена трещина промежуточного корпуса. В связи с этим двигатель был отстранён от эксплуатации и направлен на авиаремонтный завод. Наработка двигателя на момент обнаружения неисправности составляла 1108 ч после второго капитального ремонта и 11180 часов с начала эксплуатации. 19.12.2003 на авиаремонтном заводе № 410 ГА авиадвигателю был произведён восстановительный ремонт с заменой промежуточного корпуса и 28.09.2004 выполнена установка на самолёт Як-42 № 42375 средним двигателем.
16.09.2006г. при выполнении рейса № 360 по маршруту Франкфурт-на-Майне - Краснодар, на воздушном судне Як-42 № 42375, при взлете на 20-й секунде полёта раздался хлопок, загорелись сигнальные табло «Помпаж», «Опасная вибрация» среднего двигателя с падением оборотов всех трёх роторов и температуры газов. После чего загорелись сигнальные табло «Стружка», «Отказ ЭСУ» и лампочка в ручке рычага останова среднего двигателя. Экипажем продублировано выключение среднего двигателя. После чего полёт был продолжен на двух работающих двигателях до аэропорта Краснодар.
При выполнении расследования данного инцидента обнаружено:
- разбандажирование рабочих лопаток вентилятора;
- все три вала двигателя заклинены;
- многочисленные повреждения рабочих лопаток и лопаток спрямляющих аппаратов КНД и КВД с обрывом рабочих лопаток на последних ступенях КВД, разрушение внутреннего кольца спрямляющего аппарата 1-й ступени КНД;
- повреждения отдельных рабочих лопаток и лопаток сопловых аппаратов на турбинах ВД, НД и вентилятора;
- большое количество стальной стружки на термостружкосигнализаторах, установленных в магистрали откачки масла от опоры турбины высокого давления и отдельные фрагменты стальной стружки на ТСС-36 в магистрали откачки от передней опоры ротора вентилятора.
На основании результатов исследований установлено, что причиной данного инцидента явилось внутреннее разрушение двигателя. Точное место начала разрушения не было установлено.
Используя данные параметрической информации с учетом внешних атмосферных условий, выполнен расчёт выходных параметров двигателя по аналогии с вышеупомянутым двигателем Д-36 № 7083602301014 и анализ их изменения в интервале наработки от 4520 часов до полёта непосредственно перед отказом (4771час).
Результаты этих расчётов представлены в табл. 3.
По полученным данным построены графические диаграммы изменения диагностических коэффициентов ЕС1, ЕС2, ЕС3, ЕТ1, ЕТ2, ЕТ3 в процессе эксплуатации и в последних полётах перед отказом. Данные диаграммы представлены на рис. 7 - 12.
По результатам анализа данных диаграмм обнаружено, что в предотказный промежуток времени, в полёте, предшествующем отказу двигателя, обнаружено нарушение закономерности изменения коэффициентов ЕС3 и ЕТ1, полученной для предыдущего исправного, находящегося в эксплуатации двигателя (возрастанию ЕС3 соответствует убывание ЕТ1 и наоборот).
Сопоставляя информацию по данным двум двигателям (исправному и отказавшему), можно сделать предположение, что данное нарушение закономерности изменения диагностических коэффициентов ЕС3 и ЕТ1 является признаком приближающейся неисправности (отказа).
Таблица 3
Результаты расчёта выходных параметров дв. № 7083602201016
Расчётные значения
Дата. Рейс. Дата. Рейс. Дата. Рейс. Дата. Рейс. Дата. Рейс. Дата. Рейс.
Пара- Наработка. Наработка Наработка Наработка Наработка Наработка
метр 01.08.2006. 31.08.2006. 10.09.2006. 15.09.2006. 15.09.2006. 16.09.2006.
№ 137. № 3061. № 185. № 3035. № 3036. № 359.
4520 ч 4697 ч 4734 ч 4762 ч 4766 ч 4771 ч
БТ3 59,3 55,7 61 62,1 54 59,8
X 5,3 х 104 5,2 х 104 5,4 х 104 5,3 х 104 4,8 х 104 5,3 х 104
ЕС1 0,9977 1,0311 0,9515 0,9484 1,143 0,9826
ЕС2 1,0787 1,0521 1,0711 1,0337 1,002 1,024
ЕС3 0,6048 0,5918 0,6022 0,5818 0,5683 0,5755
ЕТ1 1,1431 1,1497 1,1461 1,162 1,1629 1,1673
ЕТ2 0,5237 0,5273 0,5266 0,5327 0,5344 0,5339
ЕТ3 0,8582 0,896 0,8603 0,8595 0,9101 0,879
* Жирным шрифтом выделены входные параметры, которые подбираются в соответствии с [2].
Рис. 7. Изменение ЕС1 с наработкой
I, ч
Рис. 8. Изменение ЕТ3 с наработкой
Рис. 11. Изменение ЕС3 с наработкой Рис. 12. Изменение ЕТ3 с наработкой
3. Двигатель Д-36 № 7083603801003. Выпущен 30.07.1988 г. на Запорожском моторостроительном заводе. За время эксплуатации на двигателе произведено три капитальных ремонта. 3-й капитальный ремонт выполнен 25.09.1998г. на авиаремонтном заводе № 410 ГА и двигателю установлен назначенный ресурс - 11502 часа и межремонтный ресурс - 3000 часов. После 3-го капитального ремонта двигатель был установлен на ВС Як-42 № 42367 (СУ № 3). 31.08.2002г. двигателю произведён восстановительный ремонт на АРЗ № 410 ГА.
Восстановительный ремонт производился по причине попадания птицы в проточную часть двигателя, вследствие чего была развёрнута одна лопатка спрямляющего аппарата КНД, повреждён ряд рабочих лопаток от 1-й до 7-й ступени КНД и первой ступени КВД. После восстановительного ремонта двигатель поступил в эксплуатацию и 20.09.2002г. был установлен на ВС Як-42 № 42386 (СУ № 1). При дальнейшей эксплуатации двигателя, при выполнении параметрического контроля, было обнаружено несоответствие оборотов ротора вентилятора нормированным значениям (падение тяги). На двигателе выполнен осмотр проточной части, при котором было обнаружено эрозионное повреждение рабочих лопаток турбины высокого давления, забоина на одной рабочей лопатке ТВД, выгорание бандажных полок рабочих лопаток ТВД, выкрашивание легкоприрабатываемого покрытия на 6-й и 7-й ступенях компрессора высокого давления. По итогам осмотра проточной части двигатель был отстранён от дальнейшей эксплуатации и снят с ВС с наработкой с начала эксплуатации 14555 часов и после последнего ремонта 3997 часов.
Результаты расчётов выходных параметров двигателя Д-36 № 7083603801003 в ряде полётов за период наработки от 2301 час до 3995 часов перед снятием представлены в табл. 4. Построенные по полученным данным диаграммы изменения диагностических коэффициентов представлены на рис. 13 - 18.
По результатам анализа полученных диаграмм изменения диагностических коэффициентов установлено, что закономерности, характерные для исправного двигателя Д-36 №7083602301014, сохранены (не нарушены). Однако при анализе количественных изменений диагностических коэффициентов на этапе эксплуатации, предшествующем обнаружению неисправностей (выкрашивание легкоприрабатываемого покрытия на 6-й и 7-й ступенях КВД), было обнаружено следующее:
- уменьшение величины ЕС2 от 1,16 до 1,04 (на 0,12) и соответствующее увеличение ЕТ2 от
0,49 до 0,525 (на 0,135);
- уменьшение ЕС3 от 0,65 до 0,59 (на 0,06), т.е. в два раза меньше по сравнению с ЕС2 и соответствующее увеличение ЕТ1 от 1,08 до 1,13 (на 0,05), т.е. так же соответственно приближенно в два раза меньше, чем ЕТ2.
Неисправности этого двигателя обнаружены на ТВД и КВД, т.е. там где изменения ЕС3 и ЕТ1 в два раза меньше, чем ЕС2 и ЕТ2. Данное обстоятельство также можно рассматривать как диагностический признак (заметное отличие в изменениях коэффициентов, относящихся к разным валам).
Таблица 4
Результаты расчёта выходных параметров дв. № 7083603801003
Расчётные значения
Дата. Рейс. Дата. Рейс. Дата. Рейс. Дата. Рейс. Дата. Рейс. Дата. Рейс.
Параметр Наработка. Наработка Наработка Наработка Наработка Наработка
03.01.2004. 30.01.2004. 07.03.2004. 07.04.2004. 06.05.2004. 20.06.2004.
№ 3059 № 3035 № 3051 № 6279 № 3073 № 3037
2301 ч. 2501 ч. 2700 ч. 2900 ч 3098 ч 3307 ч
БТЭ 71,7 69,0 70,1 70,0 66,57 66,95
X 5,67 х 104 5,56 х 104 5,5 х 104 5,37 х 104 5,26 х 104 5,26 х 104
ЕС1 0,8384 0,8702 0,8687 0,8793 0,9515 0,9536
ЕС2 1,2388 1,1177 1,0901 1,036 1,1094 1,1116
ЕС3 0,6758 0,6252 0,6156 0,5889 0,6228 0,6162
ЕТ1 1,0685 1,1084 1,1107 1,1332 1,1017 1,1145
ЕТ2 0,4776 0,5061 0,511 0,5232 0,5039 0,5036
ЕТ3 0,7807 0,8114 0,8193 0,8453 0,8147 0,812
Таблица 5
Расчётные значения
Дата. Рейс. Дата. Рейс. Дата. Рейс. Дата. Рейс. Дата. Рейс.
Параметр Наработка. Наработка Наработка Наработка Наработка
12.07.2006. 06.08.2006. 02.09.2006. 12.09.2006. 12.09.2006.
№ 135 № 135 № 135 № 135 № 182
3505 ч 3706 ч 3902 ч 3989 ч 3995 ч
БТЭ 64,22 59,4 62,3 66,2 64,2
X 5,18 х 104 4,99 х 104 5,04 х 104 5,25 х 104 5,12 х 104
ЕС1 0,9955 1,1013 1,0463 0,9494 0,9852
ЕС2 1,1083 1,156 1,1152 1,0772 1,039
ЕС3 0,6188 0,6447 0,6235 0,6107 0,5902
ЕТ1 1,1037 1,0809 1,0975 1,1105 1,1278
ЕТ2 0,5017 0,4917 0,4995 0,5122 0,5201
ЕТ3 0,8197 0,8129 0,8199 0,8267 0,8532
Обобщая результаты термогазодинамической диагностики ТРДД Д-36 можно сделать следующие выводы:
1. Из перечня диагностических коэффициентов наиболее информативными являются коэффициенты ЕС3 иЕТ1
2. С помощью тенденций изменения упомянутых диагностических коэффициентов можно диагностировать предотказные состояния проточной части двигателя Д-36.
Диаграмма ЕТЗ
^ ч
Рис. 13. Изменение ЕС1 с наработкой
Диаграмма ЕТ2
^ ч
Рис. 15. Изменение ЕС2 с наработкой
Диаграмма ЕТ1
Ъ ч
Диаграмма ЕС1
^ ч
Рис. 14. Изменение ЕТ3 с наработкой
Диаграмма ЕС2
^ ч
Рис. 16. Изменение ЕТ2 с наработкой
Диаграмма ЕСЗ
Ъ ч
ЛИТЕРАТУРА
1. Бунякин А.В., Торбеев С.А. Диагностика проточной части авиационных ГТД на примере ТРДД Д-36 // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта, № 109, 2006.
2. Бунякин А.В., Торбеев С.А. Диагностирование ТРДД Д-36 с использованием новой математической модели // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта, № 109, 2006.
APLICFTION OF DIAGNOSTIC ALGORITHM OF GAS-AIR TRACT OF TURBOJET ENGINE
TRDD D-36
Torbeev S.A.
The results of mathematical model application for turbojet engine TRDD D-36 are described in the paper. The mathematical model is dependence between the gas-air tract parameters of engine. The model is contained diagnostic coefficients. The changing of the coefficients is information about technical state of the engine.
Сведения об авторе
Торбеев Станислав Александрович - 1970 г.р., окончил МГТУ ГА (1996), инженер по диагностике ЛТД НК в АТБ ОАО «Авиационные линии Кубани», соискатель кафедры двигателей летательных аппаратов МГТУ ГА, автор 2 научных работ, область научных интересов - эксплуатация авиационной техники и диагностика двигателей летательных аппаратов.
