Диагностика газотурбинных установок

Повреждения дисков и роторов турбомашин обусловливаются главным образом центробежными силами инерции, нестационар­ными силами от воздействия газового потока, динамической не­уравновешенностью, нарушением центровки. Неравномерное рас­пределение температуры в окружном и осевом направлениях, осо­бенно значительное при остановах ГТУ, может вызвать большие остаточные деформации (прогиб) ротора, а также трещины в зоне максимальных суммарных напряжений.

В соответствии с указанным расчетную оценку технического ресурса (срока службы) отдельных деталей и узлов в их конкретном конструктивном исполнении необходимо производить с учетом перечисленных выше специфических условий нагрузки и воздей­ствия рабочей среды. Так, расчетный ресурс деталей ГТУ (на­пример, лопаток компрессора), работающих в условиях совмест­ного воздействия статических и динамических нагрузок цикличе­ского характера, определяется запасом прочности по пределу вы­носливости. Для деталей, подверженных, кроме того, воздействию высокой температуры при неравномерном ее распре­делении, обусловливающем возникновение термических напряже­ний, и циклическом характере (например, лопаточный аппарат газовых турбин, жаровые трубы камеры сгорания), расчетную оценку их ресурса следует производить с учетом достаточного за­паса прочности по пределу малоцикловой усталости и термо­стойкости, характеризуемой свойством приспособляемости (оцени­вается по отсутствию образования трещин на поверхности детали при заданном числе теплосмен в нестационарных режимах). При этом необходимо учитывать отрицательное влияние на несущую способность детали (т. е. способность противостоять разрушению при определенном характере нагружения и воздействия окружаю­щей среды) наличие концентраторов напряжений в виде отверстий малого диаметра, резких переходов, шероховатой поверхности с забониами и рисками.

Следует отметить, что расчетное суммирование различных по характеру нагрузок, особенно в условиях отрицательного воз­действия рабочей среды, для оценки несущей способности боль­шинства деталей и узлов ГТУ является достаточно приближенным способом, и поэтому требуемую их работоспособность (ресурс) необходимо определять в конечном счете с учетом опыта эксплуа­тации, а также результатов эквивалентных испытаний, моделирую­щих рабочие условия, что широко распространено в практике авиа­ционного газотурбостроения .

Как правило, перечисленные выше факторы, вызывающие по­вреждения соответствующих элементов, действуют в течение до­статочно длительного периода времени, и отказу в работе ГТУ предшествует возникновение определенного дефекта в детали (узле), являющегося следствием ухудшения характеристик проч­ности, изменения ее размеров, зазоров и натягов, состояния рабо­чей поверхности и т. п. Своевременное обнаружение этих дефектов с последующим их устранением путем ремонта или замены детали (узла) является одним из основных путей повышения показателей эксплуатационной надежности ГТУ, реализуемым ва счет умень­шения как времени вынужденного простоя из-за отказов, так и затрат на проведение ремонтов.

   Трудности распознавания связаны, в частности, с тем, что призна­ки неисправностей мало отличаются от «фоновых». Например, при разрушении лопатки турбины ее КПД, который из-за загрязнений был на 2% ниже парадного, снизился еще на 1%, а вибрация возросла с 50 до 60 мкм; при повреждении камеры сгорания дымность выхлопа не возникла, а только усилилась так, что это трудно обнаружить, а неравномерность температуры на выходе из турбины увеличилась с 40 до 50 К и т. д. Иногда эти признаки объяснялись просто ошибками при­боров. Еще более трудно обнаружить на работающей ГТУ дефекты, раз­витие которых может привести к аварии, например задевания или тре­щины в деталях.

Так, продолжительность ремонтно-восстановительных работ, связанных с устранением последствий аварийных отказов нз-за повреждений лопаточного аппарата газовых турбин, может достигать полгода н более, а затраты на их про­ведение составлять до 30—40 % первоначальной стоимости ГТУ .

При существующей практике эксплуатации ГТУ период вре­мени между профилактическими осмотрами и различными видами ремонта регламентируется главным образом степенью выработки расчетного ресурса деталей и узлов, эксплуатируемых в наиболее тяжелых условиях (лопаточных аппаратов газовой турбины и ком­прессора, жаровых труб КС и топливной аппаратуры). Большин­ство таких дефектов можно обнаружить лишь в процессе проведе­ния указанных работ на неработающей установке с частичной ее разборкой.

Как свидетельствует опыт эксплуатации стационарных ГТУ, наиболее характерными дефектами ее основных деталей и узлов (элементов), обнаруживаемыми при профилактических осмотрах, являются:

1) в лопаточном аппарате турбины — трещины на выходных кром­ках и в хвостовиках лопаток, коробление выходных кромок, сра­батывание верхних концов рабочих лопаток, натиры контактных поверхностей бандажных полок, твердые (золовые) отложения иа профильной поверхности лопаток, механическое изнашивание, со­провождающееся значительным увеличением шероховатости, по­явлением забоин трещин, местного изнашивания, коррозии;

2) в лопаточном аппарате компрессора — трещины иа выходных кромках лопаток, хвостовиках, в сварных соединениях с бандаж­ными кольцами, твердые и рыхлые отложения на профильной части лопаток, местное эрозионное изнашивание

3) в камерах сгорания — коробление и трещины жаровых труб, механическое изнашивание в месте подвижного соединения со входным коллектором, твердые отложения на внутренней поверх­ности жаровых труб и горел очных устройствах;

4) в роторах и дисках турбомашин — трещины в пазах хвостовых соединений рабочих лопаток, у отверстий для стяжных болтов, дисков и соединительных фланцах, твердые отложения по тракту охлаждения, остаточные деформации по окружности и вдоль оси;

5) в подшипниках скольжения — срабатывание и отслаивание баббитовой заливки вкладышей и упорных колодок, срабатыва­ние маслозащнтиых уплотнений;

6) в концевых и промежуточных уплотнениях — срабатывание и частичное разрушение уплотняющих выступов, натиры на обоймах уплотнений и в роторах;

7) в корпусных деталях — трещины во фланцевых соединениях коробление корпуса, обойм сопловых аппаратов, трещины и ко­робление обечаек выходных диффузоров и переходных патрубков, натиры и местное изнашивание уплотнительных колец над рабо­чими лопатками.

В большинстве случаев трещины в перечисленных деталях но­сят четко выраженный усталостный характер, иногда они вызваны механическим воздействием твердых частиц (пыли, золы, окалииы и т. п.). Образование микротрещин на профильной поверхности ло­паток турбин может быть вызвано недостаточной жаростойкостью материала и коррозией. Изменение размеров и формы ряда деталей из-за остаточных деформаций вызывает изменение осевых и ра­диальных зазоров, что приводит в ряде случаев к механическому изнашиванию в соответствующих местах контакта. Частота и по­вторяемость перечисленных выше дефектов обусловлены как кон­структорско-технологическими причинами, так и техническим уровнем эксплуатации. Они зависят также от серийности однотип­ных ГТУ и этапа их освоения. На стадиях доводки и в начале промышленной эксплуатации проявляются в основном дефекты, свидетельствующие о конструкторско-технологических недора­ботках; в последующие периоды большую долю составляют де­фекты, обусловленные недостаточностью прочностных свойств ма­териалов.

Так, и ряде случаев наблюдается ухудшение пластических свойств материа­лов в процессе работы ГТУ (детали) с одновременным повышением твердости поверхностного слоя.

Своевременное обнаружение перечисленных дефектов еще в про­цессе эксплуатации ГТУ, на работающей установке, позволило бы значительно сократить сроки доводки оборудования до рас­четных показателей, разработать мероприятия по их устранению (сокращению) и проверить их эффективность, предотвратить возникновение отказов из-за поломок и разрушения деталей и тем самым существенно повысить суммарный положительный техиико- эиономический эффект от применения ГТУ в различных отраслях народного хозяйства.

2. Методы и средства диагностирования неисправностей и дефектов

Наиболее прогрессивным направлением в указанном плане яв­ляется повсеместный переход в практике стационарного газотурбо­строения к методам технической диагностики, т. е. распознаванию с достаточной точностью (достоверностью) технического состояния основных деталей и элементов ГТУ в процессе ее работы путем анализа соответствующей информации, получаемой в опре­деленной последовательности непрерывно или периодически (дискретно).

Под техническим состоянием в данном случае следует понимать совокупность подверженных изменению в процессе эксплуатации свойств объекта (ГТУ), характеризуемую в определенный момент времени признаками, установленными соответствующей техниче­ской документацией. Вид технического состояния можно опреде­лить путем диагностирования (подробнее см. в ГОСТ 21199—82), результатом которого является заключение об исправности, рабо­тоспособности и правильном функционировании объекта или наличии конкретных неисправностей (дефектов), которые могут послужить наиболее вероятной причиной отказа. Процессы, про­ходящие в системе диагностирования, заключаются в многократ­ной и систематической подаче определенных сигналов (вызовов), их фиксации (накоплении) и анализе ответов на эти сигналы с по­следующей выдачей рекомендации. Решения о профилактической замене объекта принимается при достижении контролируемым параметром упреждающего допуска.

Теоретической моделью эксплуатации ГТУ по фактическому со­стоянию может служить задача управления случайным процессом как непрерывным, так и дискретным. В связи с этим обоснование и математическое описание технического состояния соответствуют задачам оптимальной профилактики . Важным свойством ГТУ как объекта диагностики является ее контролеспособность, т. е. способность достоверно оценивать ее техническое состояние и свое­временно обнаруживать путем поиска и контроля дефекты и не­исправности, что обеспечивается конструкцией основных элемен­тов и установки в целом, а также принятой системой технической диагностики. Техническая диагностика решает также задачу про­гнозирования вероятности сохранения исправного состояния ГТУ на определенный промежуток времени (до трех—пяти интервалов контроля).

Основные виды диагностической информации должны обеспе­чивать получение данных, объективно отражающих состояние ГТУ как системы, к которым относятся:

       состав и состояние взаимодействующих сред (воздуха, масла, воды, топлива, продуктов сгорания и т. д.);

       рабочие параметры процесса (частота вращения ротора, тем­пература, давление и т.п.);

       параметры, характеризующие тепловое состояние основных элементов (температура, перепады температур, тепловые переме­щения);

       вибрация;

       акустические и тепловые излучения;

       результаты визуальных наблюдений за состоянием рабочей по­верхности детали.

Таким образом, использование методов диагностирования тех­нического состояния при эксплуатации стационарных ГТУ обу­словливает необходимость расширения функций системы контроля путем включения контроля автоматизации режимов пуска и холо­стого хода, регистрации и контроля основных механических пока­зателей и др.

Ввиду того, что признаки возникновения дефектов и неисправ­ностей, которые могут послужить в дальнейшем причиной аварий­ных отказов в работе ГТУ, даже при оснащенности ее специальной аппаратурой, зачастую являются вначале труднораспознаваемыми, большое значение для обеспечения высокой надежности имеет постоянное поддержание достаточно чистыми проточных частей турбомашин и элементов газовоздушного тракта, низкого уровня вибрации, малой неравномерности температур в потоке рабочего тела и основных деталях ГТУ, высоких запасов устойчивости от помпажа и т. д.

Среди методов инструментального контроля технического состо­яния агрегата применительно к стационарным ГТУ более предпоч­тителен детерминистский метод, заключающийся в непосредствен­ном определении физических явлений, служащих объективными признаками возникновения конкретных неисправностей и дефек­тов (это обусловлено прежде всего индивидуальным и мелкосерий­ным характером производства стационарных ГТУ). В качестве диагностических средств обнаружения таких физических явлений, хорошо зарекомендовавших себя применительно к авиационным ГТД, могут быть рекомендованы нижеследующие:

1) устройства виброакустической диагностики (рис.1, а, б) (объект может быть представлен в виде колебательной системы и спектра вибросигнала, стимулированного либо тестом, либо функциональными возмущениями, содержащих информацию о техническом состоянии, дефектах и качестве объекта), мик­рофоны для измерения акустических колебаний, действие которых основано на электрических или пьезоэлектрических эффектах;

2) ультразвуковые (неразрушающее исследование внутренней структуры различных объектов и протекающих в них процессов с помощью ультразвуковых волн) и токовихревые приборы (изменяющийся магнитный поток) для обнаружения дефектов и повреждений лопаточного аппарата турбомашин;

   3) оптические приборы и системы визуального осмотра деталей (обнаружение поверхностных дефектов, взаимодействие светового излучения с поверхностью контролируемого излучения) проточных частей как в период эксплуатации, так и при проведе­нии профилактических работ (с частичной разборкой агрегата).

   Рисунок 1. Пьезометрический датчик для измерения вибрации: а-конструктивная схема; б-структурная схема измерений. 1-корпус; 2-инерционная масса; 3-токосъемная пластина; 4-проводник сигнала; 5-резьбовой хвостовик; 6-пьезоэлемент; 7-упругий элемент; Д-датчик; П-

преобразователь; У-усилитель; Р-регистратор