Повышение достоверности результатов диагностирования газотурбинных двигателей сцинтилляционным методом с целью снижения рисков возникновения чрезвычайных ситуаций при эксплуатации воздушных судов (01.06.2009)

Автор: Дроков Виктор Григорьевич

2. Изменение вида функции распределения частиц повреждаемых деталей по размерам при интенсификации процессов повреждения. Для обоих спектральных способов характерно резкое снижение чувствительности (наклона) градуировочного графика при увеличении размеров частиц повреждаемых деталей. Для атомно-эмиссионного способа эти влияния существенны при размерах частиц в несколько микрометров, для рентгенофлуоресцентного ? 15-20 мкм.

3. Недостаточные пределы обнаружения. Значение пределов обнаружения при «прямых» атомно-эмиссионных измерениях содержания железа и меди в пробах масел при использовании спектрометров МФС-7, МОА, Spectoil и т.д. составляет порядка 1 г/т и является предельным. Резервы по снижению пределов обнаружения при подаче пробы вращающимся электродом в угольную дугу исчерпаны. Необходимо дальнейшее снижение пределов обнаружения, которое возможно лишь при замене угольной дуги безэлектродным источником возбуждения спектров и изменением схемы выделения и регистрации сигнала.

Использование предварительного концентрирования пробы масла в рентгенофлуоресцентном анализе позволяет получать пределы обнаружения, достаточные для определения легирующих компонент. Однако влияния, связанные с видом распределения частиц по размерам, не устраняются. В методике измерения обязательно должны учитываться все факторы, от которых зависит величина осадка на фильтре и, соответственно, правильность измерения содержания металлической примеси: тип двигателя, вид повреждения, марка используемого масла и пористость фильтра.

4. Недостаточный объем диагностической информации. Измеряется только величина содержания металлической примеси. Параметр «содержание» является, возможно, необходимым, но недостаточным признаком при оценке технического состояния элементов конструкции ГТД, омываемых смазочным маслом. Определение величины содержания металлов в пробе масла даже с высокой точностью не гарантирует достоверной оценки технического состояния двигателя.

5. Отсутствие информации о параметрах частиц износа, накапливаемых на основном маслофильтре. Достоверность диагноза технического состояния двигателя существенно повышается, если одновременно учитываются параметры частиц в пробе масла и параметры частиц, накапливаемых на основном маслофильтре.

Анализ и обобщение результатов исследований в области разработки диагностической аппаратуры показал, что наиболее перспективным направлением в разработке новой диагностической аппаратуры, обеспечивающей повышение достоверности диагноза и, соответственно, повышение уровня безопасности эксплуатации газотурбинных двигателей воздушных судов и эффективности их применения, является атомно-эмиссионный спектрометр с использованием сцинтилляционного принципа выделения аналитического сигнала.

Во второй главе приведены результаты исследований по разработке основных теоретических положений создания диагностической аппаратуры нового поколения с использованием спектрального атомно-эмиссионного сцинтилляционного способа оценки параметров металлических частиц, отделяемых от повреждаемых деталей в процессе эксплуатации.

Установлено, что источник возбуждения спектров при анализе проб масел должен обеспечивать:

- отсутствие в собственном спектре источника линий анализируемых элементов, т.е. источник должен быть безэлектродным;

- 100 % вхождение частиц износа в плазму;

- возможность использования в качестве плазмообразующего газа сжатого воздуха.

Для подтверждения разработанных теоретических положений проводились экспериментальные исследования по установлению закономерностей течения плазменного газа и траекторий движения частиц с цилиндрическими разрядными камерами с аксиальным и тангенциальным способами стабилизации разряда.

Плазма в разрядных камерах зажигалась и поддерживалась с помощью СВЧ-генератора с частотой 2375 мГц мощностью 2,5 кВт.

На основании известных фундаментальных положений разработана математическая модель газодинамического течения при условии, что газ является вязкой сжимаемой жидкостью, обладающей тепло- и электропроводностью. Распределение температуры в области ядра плазмы задавалось по результатам экспериментальных измерений, в результате чего из уравнений теплового баланса исключался источниковый член, описывающий поглощение СВЧ-мощности.

В цилиндрической системе координат математическая модель имеет вид

? плотность; ? ? вязкость.

Система уравнений замыкалась соотношениями

? = ?(Т), С? = С?(Т), ? = ?(Т), ? = ?(Т), (2)

и вязкости ? ? газа от температуры.

Распределение температуры в области ядра плазмы задавалось по результатам экспериментальных измерений, полученных методом Орнштейна.

и функции тока ?

Граничные условия устанавливались в зависти от конструкции плазмотрона и особенностей ввода газа:

1. Исходя из условий непротекания, функция тока на стенках разрядной камеры принимает постоянное значение, равное соответствующему расходу газа. Энтальпия H на стенках принимает постоянное значение, соответствующее температуре стенок.

2. Во входных сечениях газовых вводов граничные условия задавались из решения одномерных уравнений движения и энергии, которые при постоянной по сечению температуре переходят в закон Пуазейля.

3. На оси симметрии (r = 0) все величины достигают экстремальных значений

4. В выходном сечении задавались условия свободного развития потока, т.н. «мягкие» граничные условия

Решение дифференциальных уравнений второго порядка в частных производных проводилось методом сеток. На область интегрирования набрасывалась произвольная сетка, и решение искалось в ее узлах. В этом случае дифференциальные уравнения заменялись соответствующими им алгебраическими уравнениями. Такие замены происходят с определенной погрешностью. Но при уменьшении шага сетки погрешность стремится к нулю, а решение приближается к точному.

Задача взаимодействия мелкодисперсного порошка с СВЧ-плазмой решалась в приближении одиночных сфер. Частицы представлялись сферами, которые испытывали силу вязкого трения о газ и нагревались за счет потока тепла через поверхность.

Уравнения в форме законов сохранения количества движения, внутренней энергии частицы и ее массы определялись в виде системы уравнений

Зависимость энтальпии от температуры, температуры от энтальпии определялась из соотношения

где LП ? скрытая теплота плавления.

Разработанная система уравнений позволила построить эффективный численный алгоритм расчета траектории движения частицы в плазмотроне при изменении ее массы.

Известно, что получение безэлектродной СВЧ-плазмы возможно при тангенциальном, вихревом способе стабилизации разряда. Однако при введении частиц в плазму, стабилизированную вихревым потоком, существует явление выбрасывания их инерционными силами из разряда на стенки разрядной камеры, что приводит к налипанию частиц на стенки камеры, нестабильности разряда и его тушению.

Решение системы уравнений (1) с учетом закрутки показало, что при тангенциальной

. В промежуточных сечениях распределение окружной скорости имеет комбинированный вид: возле стенки разрядной камеры преобладает свободный вихрь, а возле оси ? вынужденный вихрь.

На основании математического моделирования установлено:

Использование разрядной камеры циклонного типа позволяет получить стабильную СВЧ-плазму, не загрязненную посторонними элементами, а выбором подходящей степени крутки можно добиться полного вхождения исследуемых частиц металла в высокотемпературную область плазмы.

Для оценки влияния температуры СВЧ-плазмы и траекторий движения частиц на характеристики нагрева проведены тщательные экспериментальные исследования по регистрации сцинтилляционных сигналов от частиц металла известной массы.

При экспериментальных исследованиях использовались приготовленные по специально разработанной технологии частицы размером от 100 мкм до 40 мкм, измеренные с точностью ±2 мкм, а также частицы от 40 мкм до 5 мкм, отобранные с точностью ±1 мкм.

Каждой введенной в СВЧ-плазмотрон частице соответствовал один сцинтилляционный импульс во всем интервале размеров используемых частиц. Не регистрировалось ни «множественности» для крупных частиц, означающей превышение числа зарегистрированных импульсов над числом частиц, введенных в спектральный источник, ни «потерь» импульсов для мелких, отмечаемых ранее в работах по спектральному анализу.


загрузка...