Бортовые системы контроля технического состояния авиационных двигателей (2002)
Подполковник А. Катин
Решение задачи обеспечения высокой надежности, ремонтопригодности и эксплуатационной технологичности современных и перспективных образцов авиационной техники специалисты связывают с применением встроенных систем контроля технического состояния конструкции планера самолета, силовой установки (СУ) и различных бортовых систем. Использование подобных систем, по их мнению, будет способствовать повышению безопасности полетов, уменьшению трудозатрат и времени на техническое обслуживание, что, в свою очередь, позволит снизить стоимость жизненного цикла летательного аппарата.
Система контроля технического состояния силовой установки предназначена для диагностики состояния авиационных двигателей, оценки их повреждений и неисправностей, а также для контроля выработки ресурса их компонентов. В настоящее время для определения износа различных узлов двигателя используются самые простые параметры его работы. В частности, срок службы наиболее важных компонентов определяется, как правило, путем подсчета общего времени, выраженного в наработке двигателя в часах. Однако данный параметр используется для отслеживания степени износа узлов и компонентов без учета воздействия фактических условий среды, влияющих на механические напряжения или приводящих к усталостным повреждениям. Вместе с тем повышение требований к техническому обслуживанию, вызванное усложнением конструкции двигателя и системы его управления, ростом уровня основных параметров СУ, влечет за собой необходимость разработки более сложных и, в тоже время более надежных систем контроля технического состояния.
В рамках современных двигателестроительных программ предусматривается применение более точных методов диагностики износа и разработка перспективных систем контроля. Кроме того, по мнению западных специалистов, при создании подобных систем необходимо учитывать и влияние внешних факторов, таких, например, как попадание посторонних предметов, которые могут в значительной степени повлиять на срок службы узлов и компонентов.
Применение перспективных систем контроля связано также с переходом на техническое обслуживание по состоянию СУ, которое все более широко используется при эксплуатации авиационной техники. При этом объем необходимых работ определяется в соответствии с состоянием силовой установки в ходе регулярных диагностических проверок двигателей. Прежде всего, это относится к контролю уровня вибрации и большинству методов определения
наличия твердых частиц в масле. В зависимости от степени износа или повреждения узлов и компонентов, производится их замена или увеличивается частота проверок, что позволяет снизить трудозатраты и время на техническое обслуживание. Кроме того, получаемая в ходе подобных проверок информация может быть использована для оценки надежности двигателя, так как дает возможность оценить реальное его состояние в отличие от данных, получаемых в результате теоретического анализа, математического моделирования или использования испытательного стенда.
Современная система контроля технического состояния силовой установки обычно включает систему датчиков, а также устройства предварительной обработки, хранения и передачи информации, которая в случае возникновения неисправности во время полета может быть использована для предупреждения экипажа. Но, как правило, большинство современных систем контроля технического состояния двигателя обрабатывают и хранят информацию для ее последующей оценки на земле.
Система датчиков, предназначенная для получения данных о рабочих параметрах двигателя и его техническом состоянии в полете или при проведении наземных испытаний, может использоваться в сочетании с имеющейся контрольно-измерительной аппаратурой других двигательных систем (автоматического управления двигателем, противопожарная). С помощью датчиков различных видов снимается вся необходимая информация, например, о температуре и давлении газа, уровне вибрации, скорости вращения ротора, наличии твердых частиц в масле, расходе топлива и воздуха, концевом зазоре лопаток и другие.
В качестве наземного оборудования современных систем контроля используется различная аппаратура - от переносных устройств для первичной обработки данных в полевых условиях до специальных лабораторий. В его состав также входит ЭВМ, предназначенная для хранения информации и долгосрочного анализа изменений технического состояния двигателей всех самолетов авиационной части.
Для контроля и оценки технического состояния силовых установок в настоящее время применяются различные методы диагностики. Одним из наиболее распространенных является контроль уровня вибрации СУ. Определение заводом-изготовителем предельных значений вибраций снижает возможность выхода из строя внешних узлов вследствие возникновения усталостных нагрузок и обеспечивает более комфортные условия для экипажа. Кроме того, чрезмерная вибрация может привести к ослаблению электрических и механических соединений, а в последующем и к их преждевременному износу и отказу. Для качественной оценки влияния вибрационных нагрузок, по мнению специалистов, необходимо решить две задачи. Во-первых, установить причины чрезмерной вибрации, во-вторых, провести анализ рабочих характеристик двигателя для обнаружения неисправностей, которые не обязательно вызывают повышенную вибрацию, но создают риск последующих отказов в таких узлах, как редукторы, опоры роторов и т. д.
Другим методом оценки состояния СУ является контроль наличия твердых частиц в масле, для проведения которого может использоваться как бортовое так и наземное оборудование. В частности, для этих целей широко применяется датчик, получивший наименование "сигнализатор стружки в масле" и предназначенный для определения степени износа элементов редукторов, подшипников в начальной стадии. Металлическая стружка, улавливаемая магнитной головкой, вызывает в конечном итоге короткое замыкание, и сигнализатор выдает сигнал. Довольно эффективным методом является лабораторный анализ проб масла, взятых во время работы двигателя (при испытаниях на стенде) или после его остановки. Для более точного анализа и определения происхождения продуктов износа, а также степени серьезности повреждений различных узлов силовой установки применяются оптический, спектрометрический, а также рентгеновский методы. Например, в США в рамках совместной программы ВВС, ВМС и СВ, получившей наименование JOAP (Joint Oil Analysis Program), была разработана и внедрена система лабораторного трибологического контроля горюче-смазочных материалов, применяемых на военной технике.
Кроме того, совершенствованию контроля технического состояния двигателей способствует разработка перспективных методов. Так, английские специалисты являются авторами нескольких методов, позволяющих определять изменения общего электростатического заряда при появлении металлических или иных частиц. В частности, они исследовали возможности контроля за наличием твердых частиц в газовом тракте двигателя, причинами появления которых могут быть попадание посторонних предметов, износ уплотнений и покрытий при трении с рабочими лопатками, неэффективная работа камеры сгорания (нагар). Применение данного метода контроля, в отличие от традиционных, позволяет обнаружить неисправность двигателя в начальной стадии, а также оценить состояние камеры сгорания и эффективность ее работы.
Перспективным методом считается контроль за попаданием посторонних предметов в двигатель. В зависимости от величины изменения электростатического заряда специалисты разделили посторонние предметы на три категории. К первой относятся предметы, не наносящие никакого ущерба, ко второй - посторонние предметы, при попадании которых не исключено повреждение ряда узлов и компонентов двигателя, и, прежде всего, элементов вентилятора и компрессора. По мнению западных специалистов, с расширением в процессе эксплуатации базы данных о неисправностях, вызванных попаданием посторонних предметов, число отказов СУ по данной причине будет сокращаться. Третья категория содержит потенциально опасные и опасные предметы. Для отработки данного метода в одном из испытательных центров ВВС Великобритании были проведены исследования по влиянию посторонних предметов различных категорий на техническое состояние двигателей, а также связанные с определением эффективности оборудования, используемого для их выявления.
Еще одним перспективным методом является контроль за наличием в масле посторонних частиц. Данный метод, основанный на измерении изменения электростатического заряда, позволяет обнаружить в реальном масштабе времени частицы, проходящие через датчик, в том числе и неметаллические.
Следующее направление совершенствования контроля технического состояния связано с применением новых конструктивных решений при создании подобных систем. Одним из таких решений является установка многофункциональных датчиков. В частности, датчик, предназначенный для определения наличия частиц в газовом тракте двигателя, может использоваться также для обнаружения пожара двигателя или чрезмерной пульсации давления (неустановившиеся и срывные режимы работы). Другой подход предполагает размещение в одном месте двух и более разнотипных датчиков с целью уменьшения количества проводов и технологических окон в корпусе двигателя. Считается, что оптимальное применение датчиков позволит получить максимум информации при минимальном их количестве.
В процессе создания перспективных систем контроля технического состояния СУ разработчикам предстоит решить ряд задач. Прежде всего, это обеспечение надежности системы и ее точности, то есть сведение к минимуму количества ложных срабатываний и необнаруженных неисправностей. Кроме того, необходимо решить задачи, связанные с обеспечением эксплуатационной технологичности и простоты обслуживания, а также возможности дальнейшего совершенствования системы.
Для эффективной работы перспективных систем диагностики силовых установок, по мнению западных специалистов, требуется комплексный контроль. Сочетание методов контроля, как современных, так и разрабатываемых, позволит получить реальную и полную информацию о техническом состоянии двигателя в целом. Отмечается, что основу подобной системы нового поколения составит экспертная система, реализованная на базе высокопроизводительной ЭВМ с соответствующим программным обеспечением и базой данных. По результатам анализа данных от датчиков путем их сравнения с информацией, содержащейся в базе данных, экспертная система будет определять состояние СУ, а в случае обнаружения неисправности информировать экипаж о степени ее опасности, вырабатывать рекомендации техническому персоналу по ее устранению (характер и местоположение, временные затраты на ремонт и потребности в запчастях) и проведению дополнительных проверок. Конечной целью создания бортовой системы контроля силовой установки, по мнению западных специалистов, является обеспечение автоматизированного диагноза состояния двигателей и выдачи рекомендаций относительно планирования необходимых работ по техническому обслуживанию.