WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

  На правах рукописи

УРЯВИН СЕРГЕЙ ПЕТРОВИЧ

  МЕТОД  ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ  ЗАЛИПАНИЯ

ЗОЛОТНИКОВЫХ ПАР  ТОПЛИВОРЕГУЛИРУЮЩЕЙ 

АППАРАТУРЫ  АВИАЦИОННЫХ  ГТД

Специальность 05.22.14.- «Эксплуатация воздушного транспорта»

  АВТОРЕФЕРАТ

  диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении Высшего профессионального образования Московском Государственном техническом университете гражданской авиации (МГТУ ГА)

Научный руководитель  - доктор технических наук, профессор

  Коняев Евгений  Алексеевич

Официальные оппоненты  - доктор технических наук, профессор

  Зубков Борис Васильевич

- кандидат технических наук, старший

  научный сотрудник

  Юхим Михаил Степанович 

Ведущая организация НИЦ ЭРАТ (г. Люберцы) 4 ЦНИИ ракетных, космических и авиационных систем МО России.

Защита состоится 30 мая  2012 г. в 16 часов на заседании диссерта­ционного совета Д 315.002.01 в Федеральном государственном унитарном пред­приятии Государственном научно-исследовательском институте гражданской авиации (ФГУП ГосНИИ ГА) по адресу: 125438, г. Москва, ул. Михалковская  д.67/1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГосНИИ ГА.

Отзывы, заверенные гербовой печатью, просим направлять по вышеуказан­ному адресу.

Автореферат разослан  « »  2012 г

Учёный секретарь диссертационного совета Д 315.002.01

кандидат технических наук А.Е.Байков

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Одной из основных систем, определяющих устойчивую работу авиадвигателей, является топливорегулирующая аппаратура (ТРА), работоспособность которой во многом зависит не только от качества заправляемого топлива,  но и конструктивных особенностей и технического состояния её элементов. Вопросам повышения надежности элементов ТРА, связанных с качеством топлива, посвящены работы Серегина Е.П., Энглина Б.А., Большакова Г.Ф., Лозовского Г.Н.,Орешенкова В.А., Кузьмина Ю.А., Пискунова В.А., Зрелова В.Н., Голубушкина В.Н., Крушинского Ю.И., Алтунина В.А. и др.

Поэтому разработка методов оценки технического состояния элементов ТРА и, в частности, золотниковых пар по массе накопленных отложений и внутренним параметрам их температурных и динамических характеристик в процессе функционирования изделия является актуальной задачей, направленной на своевременное предупреждение их залипания и, при необходимости, его устранения.

Объект исследования – золотниковые пары топливорегулирующей аппаратуры  авиационных  ГТД (на примере насоса регулятора НР-30 КУ/КП двигателя Д-30КУ/КП).

Предмет исследования:

а) процесс накопления высокотемпературных (выше 100оС)  отложений на реальном золотнике во времени;

б) изменение амплитуды свободных колебаний золотника по мере накопления отложений;

в) определение динамического воздействия на корпус залипшего золотника, необходимого и достаточного для  его страгивания.

Цель работы: Повышение уровня безопасности полётов  и эффективности поддержания лётной годности  ВС  путем разработки способов повышения безотказности золотниковых пар ТРА авиационных ГТД.

Для достижения этой цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

- систематизация  данных об отказах авиационных ГТД, связанных с залипанием золотниковых пар ТРА;

- экспериментально исследовать кинетику роста  массы отложений на конкретном золотнике при его контакте с керосином ТС-1 при различных температурах:

- установить закономерность влияния температуры на скорость роста массы отложений до критических значений, при которых имеет место заклинивание золотниковой пары;

- разработать математическую модель, описывающую изменение вибрационных характеристик золотниковых пар, вызванное образованием отложений;

- разработать математическую модель динамического воздействия на золотниковые пары, устраняющего их залипание;

- разработать автоматизированную систему контроля вибрационного состояния золотниковых пар с использованием разработанной математической модели.

Методологической основой  исследования  являлись основные положения авиационной химмотологии  как науки о влиянии качества ГСМ на надежность авиационной техники, методы технической диагностики, в том числе вибрационного диагностирования, математического моделирования процесса отложения осадков в топливе при повышенных температурах и его влияния на динамические характеристики золотниковых пар.

Достоверность и адекватность результатов  подтверждается приемлемой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, адекватностью математических моделей исследуемым процессам,  применением сертифицированного оборудования при проведении  экспериментальных исследований.

Научная новизна работы 

1.Установлены закономерности:

-роста массы отложений на конкретном золотнике при его контакте с авиационным керосином ТС-1 при различных температурах;

- влияния температуры на скорость и время роста отложений до значений, при которых имеет место заклинивание золотниковой пары.

2.Разработана математическая модель, описывающая  изменение вибрационных характеристик золотниковых пар, вызванная образованием отложений.

3.Разработана математическая модель динамического воздействия на золотниковые пары, устраняющего их заклинивание.

Личный вклад автора.

При непосредственном участии автора выполнены работы по организации, подготовке и проведению экспериментальных исследований по кинетике роста массы отложений на конкретном золотнике; по динамическому  ультразвуковому воздействию, достаточному для страгивания залипшего золотника; по измерению параметров свободных колебаний золотника в средах различной вязкости.

При разработке и анализе математической модели колебаний золотника автором получено выражение для коэффициента демпфирования    и амплитудной характеристики  H(f)  (См. гл. 3).

  Автором разработана методика расчета параметров ультразвукового  воздействия (частоты и мощности), необходимых и достаточных для страгивания залипшего золотника.

Практическое значение работы  обусловлено  возможностью использования ее результатов для перевода стратегии технического обслуживания золотниковых пар ТРА на эксплуатацию по состоянию.

Теоретические и экспериментальные результаты 3-й и 4-й глав положены в основу содержания 3-х патентов на полезные модели (см. список публикаций). Итоговые результаты 2-ой главы позволяют оценить время накопления отложений на золотниковых парах до предотказного состояния на основе измерения температуры золотников  в процессе функционирования изделия.

Реализация результатов.

Результаты диссертационной работы реализованы:

-  в учебном процессе МГТУ ГА со студентами специализации ГСМ при изучении дисциплины «Химмотология реактивных топлив»;

-  при выполнении дипломных проектов  студентами МГТУ ГА  V-VI курса специализации ГСМ;

-  на курсах повышения квалификации  руководителей и специалистов служб ГСМ и ТЗК в Центре переподготовки и повышения квалификации МГТУ ГА, обучающихся по программе «Обеспечение ВС ГА авиаГСМ и спецжидкостями».

Апробация работы

Основные материалы выполненных исследований и отдельные результаты работы докладывались на Международной научно-технической конференции  в МГТУ ГА (в мае 2011г.), г. Москва, на научно-технических семинарах и совещаниях на кафедре « Авиатопливообеспечение и ремонт летательных аппаратов» МГТУ ГА,  ежегодных научно-технических конференциях, организуемых «Ассоциацией организаций авиатопливообеспечения» в период 2009-2012 гг.

Публикации. Научные и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также в 3 патентах.

Дальнейшее развитие работы связано с разработкой автоматизированных систем оценок текущего состояния золотниковых пар ТРА по параметрам их вибрационного и температурного состояния.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из Введения, 4 глав, выводов, списка литературы, Приложения.

Работа содержит  11 таблиц, 38 рисунков, список используемых источников из  72  наименований. Общий объем работы  112 листов сквозной нумерации основного текста и 11 листов приложения.

Основное содержание диссертации.

Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается актуальность, научная новизна и практическая значимость. Формируется цель научных исследований и намечаются пути ее достижения.

В первой главе диссертации рассматривается состояние проблемы  обеспечения безотказной работы золотниковых пар топливорегулирующей аппаратуры. Приведен анализ статистических данных по отказам авиационных ГТД по причине заклинивания золотниковых пар ТРА.

  От 40 до 70% авиационных происшествий происходит из-за отказов газотурбинных двигателей (ГТД) и агрегатов топливных систем. До 50% этих отказов связано с нарушениями в работе  ТРА. Основными элементами ТРА, отказавшими вследствие повышения  трения, заклинивания, залипания, засорения из-за попадания посторонних частиц, являются цилиндрические золотниковые пары возвратно-поступательного типа (клапаны постоянного перепада давления, отключения стартера, клапаны блокировки, автоматы распределения топлива и др.), доля отказов которых в системе ТРА составляет до 52 %.

Данные по типам загрязняющих веществ при возникновении отказов свидетельствуют, что наибольшую часть составляют дисперсные системы коллоидного типа  - 33%, а также твердые и  пластичные частицы: песок, сталь, сплавы алюминия, окись железа, магния и т.п. – 24%, твердые частицы (сталь) – 18%, смолообразование – 13%, вода с продуктами коррозии -11%.

Наиболее опасные ситуации  в полете возникали из-за образования осадков и отложений в золотниковых парах ТРА ГТД  самолетов ТУ - 154Б/М, ИЛ - 62, ИЛ - 76, вертолетов МИ - 2, Ми - 6, МИ - 8, приводящих к отказам двух и более двигателей в полете.

Внешние признаки внезапных отказов:

- самовыключение двигателя при переводе РУД в сторону его уменьшения, зависание частоты вращения ротора, колебание частоты вращения, не выключение двигателя после посадки, помпаж двигателя и др.

По результатам работ, проведенных 13 НИИ МО РФ, определены эксплуатационные и конструктивные факторы, влияющие на безотказность топливных агрегатов. К таким факторам отнесены: объем топлива в системе, несливаемый остаток топлива в баках, подогрев топлива в ТМР и на входе в фильтр тонкой очистки, максимальные зазоры в прецизионных парах ТРА, тонкость фильтрации, количество и марка ПВКЖ, периодичность промывки фильтроэлементов и др. (всего 23 фактора). Наибольшее влияние оказывают конструктивные факторы (61% от общего числа факторов). На долю эксплуатационных факторов, характеризующих особенности эксплуатации ВС, технического обслуживания агрегатов ТРА приходится до 25% от общего числа факторов. Влияние фактора наличия в топливе ПВКЖ на безотказность ТРА составляет 14%. Показано существенное влияние повышения температуры при нагнетании топлива насосом и его подогрева в топливомасляном радиаторе (ТМР). Наиболее тяжелые режимы для ТМР возникают при переходе с максимальной частоты вращения на малый газ, а также после останова двигателя. Местные температуры топлива у стенок трубок радиатора превышают 100оС. Это способствует образованию липких отложений, их смыву концентрированным раствором ПВКЖ в воде и последующей адсорбции на твердых поверхностях золотников. Этот эффект усиливается для двигателей самолетов, выполняющих длительные полеты на установившихся режимах, когда в неподвижном состоянии находится наибольшее количество золотников ТРА.

Одним из новых факторов,  не учитываемых ранее и приводящих к повышенному осадкообразованию на фильтрах тонкой очистки и золотниках ТРА,  является попадание в авиационное топливо примесей биотоплива, термическая и коллоидная стабильность которого значительно уступает авиакеросинам. За последние два года зарегистрировано 2 случая отказа ТРА, вызванное этим фактором.

Современное состояние вопроса безотказности  элементов ТРА иллюстрируется данными, приведенными на рис. 1, полученными при  диагностировании отказавших агрегатов при ремонте, в частности насоса – регулятора НР-30КУ/КП на Внуковском авиаремонтном заводе за период 2000-2009 гг.

Рис. 1. Диаграмма количества отказов золотниковых пар насосов

НР-ЗОКУ/КП по причине их залипания        

1.золотник 3035.268.1 во втулке 672.106 – клапана постоянного перепада давления топлива (дифференциального клапана);        

2-золотник 3141.021 во втулке 3127.323 - клапана блокировки;

3-золотник 3035.061 во втулке 3027-105-1– узла отключения стартёра;

4-золотник 3035.142.1 во втулке 3035-143 APT;

5-золотник 3035.399 во втулке 3055.401- датчика оборотов.

В заключительной части 1 главы приведен критический анализ существующих способов предотвращения залипания золотниковых пар.

Эксплуатация ТРА по фактическому состоянию требует периодического контроля параметров состояния золотниковых пар и, в частности, температуры золотников  и их амплитуды свободных колебаний , зависящих помимо конструктивных параметров от состояния рабочей среды (топлива и степени залипания золотников) и режима работы двигателя. Это предопределило цель и задачи исследования.

В главе II представлены методы исследования и экспериментальные данные по кинетике роста массы отложений на конкретном золотнике клапана блокировки 3141.021, сопряженным с втулкой 3127.323. Эксперимент проводился на приборе ЛСАРТ-77, который позволяет устанавливать и поддерживать во времени заданные температуры топлива. Испытания проводились в среде авиакеросина ТС-1 без присадки ПВКЖ в присутствии катализатора - медной пластинки при температурах, характерных для эксплуатации золотниковых пар. После каждого времени выдержки в топливе при всех температурах испытаний золотники сушили при температуре 150оС в течение 15 минут. Массу золотников определяли на аналитических весах KERN AB-220-4М с ценой деления 0,1 мг. Время испытаний при температуре 150оС  ограничивали появлением эффекта «залипания» золотника во втулке, которое определяли на специально доработанной установке, основой которой является ультразвуковая установка марки «Кристалл-15» производства ОАО «ОКТБ Кристалл». После каждого времени выдержки втулку одевали на золотник, прикрепленный к днищу установки, через ультразвуковой концентратор. Втулка  под действием силы тяжести свободно перемещалась по всей длине золотника до упора. Испытания проводились до тех пор, пока масса отложений не достигала значений эффекта «заклинивания». Как показано в главе 4 заклинивание золотника устраняется при включении ультразвукового устройства.

Экспериментальные данные, приведенные в табл. 1, 2, 3 позволили установить линейную зависимость (1) , где - критическая масса отложений, полученная расчетным путем, при условии заполнения отложениями всего зазора между золотником и втулкой; - масса отложений в данный момент времени.

Кинетика роста массы отложений на золотнике при температуре 80оС.

Таблица 1

, ч

t = 80oC

mи, г

mo, г

mк, мг

m, мг

Ln

K1

6

19,5631

19,5654

6,0

2,3

0,48

0,081

8

19,5631

19,5660

6,0

2,9

0,66

0,083

10

19,5631

19,5665

6,0

3,4

0,84

0,084

12

19,5631

19,5669

6,0

3,8

1,0

0,083

14

19,5631

19,5672

6,0

4,1

1,15

0,082

  К1ср = 0,083

Кинетика роста массы отложений на золотнике при температуре 100оС.

Таблица 2

, ч

t = 100oC

mи, г

mo, г

mк, мг

m, мг

Ln

K2

6

19,5640

19,5671

6,0

3,1

0,727

0,121

8

19,5640

19,5677

6,0

3,7

0,96

0,120

10

19,5640

19,5682

6,0

4,2

1,21

0,120

12

19,5640

19,5685

6,0

4,5

1,39

0,116

14

19,5640

19,5689

6,0

4,9

1,70

0,121

К2ср = 0,120

Кинетика роста массы отложений на золотнике при температуре 150оС.

, ч

t = 150oC

mи, г

mo, г

mк, мг

m, мг

Ln

K3

6

19,5635

19,5674

6,0

3,9

1,05

0,174

8

19,5635

19,5681

6,0

4,6

1,45

0,181

10

19,5635

19,5685

6,0

5,0

1,79

0,179

12

19,5635

19,5688

6,0

5,3

2,15

0,179

14

19,5635

19,5690

6,0

5,5

2,48

0,177

К3ср = 0,178

В этих таблицах:

  mи - исходная масса золотника, г;

  mo - масса золотника с отложениями, г;

  mk - критическая масса отложений, при которой заполняется весь зазор между золотником и втулкой (получены расчетным путём), мг;

  m - масса отложений в данный момент времени, мг;

  Ln - натуральный логарифм отношения .

  K - константа скорости роста отложений, отнесённая к 1 молю смол, образующих отложения.

Эта зависимость имеет вид (1), она позволяет определить константу скорости роста массы отложений графически, а также рассчитать время, за которое масса отложений достигает значений эффекта «заклинивания»   (2).

Зависимости, полученные при различных температурах (рис.1), имеют также линейный характер, что согласуется с аналогичными  данными для химических реакций 1 порядка, а также работами Г.Ф. Большакова и его учеников по изучению кинетики и механизма образования осадков при окислении реактивных топлив.

Рис.2. Кинетика роста массы отложений на золотнике при различных температурах топлива ТС-1.

Эффект заклинивания золотника во втулке наблюдался после 14 час. выдержки при t=150о С. При этом масса отложений составила 92% от расчетной величины mk.

На рис.3. представлена зависимость которая также имеет линейный характер и описывается уравнением: (3), где . Еа - энергия активации роста массы отложений, Дж, отнесенная к 1 молю авиатоплива.

 

Рис.3. Зависимость константы скорости роста массы отложений  на золотнике от обратной температуры.

В результате несложных математических преобразований полученное уравнение можно представить в видах:   (4)

или  (5)

Энергия активации (Еа), определённая по уравнению (4) или (5) при температурах 80оС и 150оС составляет 13490 Дж/моль или 13,490 кДж/моль, что хорошо согласуется с данными, полученными Г.Ф. Большаковым и его учениками.

Уравнения  (2), (3), (4) и данные, приведенные на рис 2, позволяют определить время до заклинивания золотника при заданной степени залипания, оцениваемой отношением . Например, приняв =0,9 из уравнения (2), получим . Константа скорости отложений КТ зависят от температуры золотника, которая в свою очередь зависит от режима работы двигателя. Наибольшей скоростью отложений характеризуются режимы: взлетный, номинальный, малого газа, режим охлаждения после останова двигателя. Учет этих режимов возможен при наличии мониторинга температуры наиболее нагретого золотника или всего насоса-регулятора в характерной зоне (например, золотника АРТ распределения топлива по контурам форсунок).

Тогда время до заклинивания определится выражением , где

КТi может быть рассчитано по уравнению (3), либо определено графически по данным, приведенным на рис. 3 для различных температур Тi, соответствующих выбранным режимам и их продолжительности i.

Предложено решение и обратной задачи: определение степени засоренности отложениями золотника при данной эксплуатационной наработке э.

Из уравнения (2) имеем:

, где КТi- определяется аналогично предыдущему варианту, а , т.е. суммарному времени наработки на всех режимах эксплуатации. Этот вариант методики является на наш взгляд предпочтительным, т.к. позволяет определить золотниковые пары, залипающие при малых значениях засоренности . Это относится к золотникам малой массы и размеров, например, золотнику клапана постоянного перепада давлений на дроссельном кране.

В результате проведенных исследований:

- установлены закономерности кинетики роста массы отложений при различных температурах эксплуатации на конкретном золотнике блокировочного клапана насоса НР – ЗОКУ в топливе ТС-1 без присадки ПВКЖ;

- определена энергия активации роста массы отложений в топливе ТС-1, которая составляет 13,490 кДж/моль;

- определена масса отложений, при которой возникает «заклинивание» золотника во втулке, составляющая 90-95% от расчетной величины;

- полученные закономерности позволяют определить время до заклинивания золотника во втулке при различных температурах эксплуатации.

Можно предположить, что закономерности, полученные для золотника блокировочного клапана, вполне вероятно распространяются и на другие золотники насоса НР – 30КУ. Но данное предположение требует дополнительных экспериментов.

В главе 3 представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса ухудшения динамических характеристик золотниковых пар, вызванного  образованием отложений.

Образование отложений, смол и механических примесей приводит к увеличению сил трения вплоть до полного залипания (заклинивания) золотника во втулке.

Представляет научный и практический интерес разработка математической модели вибрационной диагностики состояния золотниковых пар на основе анализа свободных колебаний золотника при вибрационном воздействии на корпус агрегата. При этом состояние золотника будем характеризовать амплитудой его свободных колебаний. Составим уравнение движения золотника.

Пусть входным процессом является смещение основания 1 (корпус  агрегата), а выходным – смещение золотника 2, как показано на рис. 4. Здесь  х(t)- задаваемое смещение основания, отсчитываемое от среднего положения; у(t) – результирующее смещение золотника,  отсчитываемое  от положения равновесия.

Рис.4.  Механическая система со смещением основания на входе.

к – жесткость пружины;

m- масса золотника;

c - коэффициент жидкостного трения;

Уравнение движения золотника имеет вид

, где (6)

– упругая сила;

– сила вязкого трения;

– сила инерции.

Таким образом, уравнение движения системы запишется в виде:

                                                       (7)

Частотная характеристика системы представляет собой преобразование Фурье результирующего смещения y(t) для единичной импульсной функции, соответствующей смещению основания х(t) = (t). Находя преобразование Фурье обеих частей уравнения (7) и принимая во внимание, что Х(f) = 1, а (f) = 2if в результате получим соотношение:

     (8)

Отсюда следует, что

  (9)

где подстрочный индекс d-d означает, что данная частотная характеристика H(f) связывает смещение на входе со смещением на выходе.

Целесообразно переписать выражение  (9) в другой форме, принимая следующие обозначения:

  (10a) 

  (10б) 

Величина в формуле (10а) безразмерна и называется коэффициентом демпфирования (или  затухания). Величина fn в формуле (10б) называется собственной частотой свободных (незатухающих) колебаний.

С учётом этих обозначений выражение (9) запишется в виде:

  (11)

В показательной форме выражение (6) сводится к виду:

(12)

где амплитудная характеристика:

  (13)

а фазовая частотная характеристика:

  (14)

На рис.5  представлена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)

для трёх значений коэффициента демпфирования : 1 = 0,01; 2 = 0,1; 3 = 0,5. Наибольшие различия этих зависимостей относятся к резонансному режиму, когда  f = fn

Рис.5. Амплитудно-частотная характеристика.

С учётом представления силы трения формулой Петрова Н.П. для жидкостного трения окончательное выражение для коэффициента демпфирования примет вид:

  (15), где

- кинематическая вязкость среды (топлива); 

- плотность среды;

s - площадь поверхности границ;

– зазор между золотником и втулкой;

VОТ – объём отложений.

В выражении  (15) величины  , s, k, m , являются постоянными, не меняются в процессе наработки в эксплуатации. Оставшиеся величины (вязкость топлива) и  VOT (объем отложений) в процессе наработки увеличиваются, что отражается в увеличении коэффициента демпфирования, особенно заметным на резонансных частотах (f/fn=1).

Изменение частотной характеристики на резонансной частоте получим из формулы (13), приняв f/fn = 1:

,  (16)

где значок р означает определение характеристики для резонансного режима.

График изменения отношений амплитуд золотника и основания   в зависимости от коэффициента демпфирования  приведён на рис. 6.

Рис. 6.  Изменение амплитуды колебаний золотника при увеличении

коэффициента демпфирования.

Из графика зависимости видно, что увеличение коэффициента демпфирования в 2 раза приводит к снижению амплитуды в два раза.

В процессе длительной работы происходит рост вязкости топлива и массы отложений  в окрестности золотника, что приводит к снижению амплитуды свободных колебаний на резонансной частоте. Это снижение может быть зарегистрировано по результатам спектрального анализа вибраций корпуса агрегата. Возбуждение колебаний агрегата возможно как в процессе работы изделия на стационарном режиме (например, режиме малого газа), так и с использованием электродинамического вибратора при работе в лаборатории.

Экспериментальное исследование влияния вязкости среды на амплитуду свободных колебаний золотника проводилось на натурном насосе-регуляторе НР-30, свободно подвешенном на  бифилярной подвеске. При проведении исследований применялся прибор анализа вибраций «Кварц». Использование прибора совместно с программным обеспечением  « Диамант-2» позволяет решать большинство задач вибрационной диагностики. Частотный диапазон прибора находится в пределах 0,5… 40000 Гц. Для исследования выбран золотник автомата приемистости, имеющий двухстороннее пружинное опирание на корпус.

В качестве исследуемых сред различной вязкости, имитирующих изменение вязкости топлива в эксплуатации, были выбраны минеральные масла МС-8П, МС-20 и пластичная смазка ЦИАТИМ-201.

Возбуждение колебаний осуществлялось воздействием импульсного молотка из комплекта прибора «Кварц». Оценка проводилась по измерению амплитуды виброускорения на резонансной частоте колебаний золотника, рассчитанной по формуле:

(17) 

где  Кпр - жесткость пружины,

m - масса золотника.

Расчётное значение fp для выбранного золотника составляет fp = 208 Гц.

При каждом ударе импульсным молотком фиксировалась амплитуда виброускорения. Для каждой из сред,  наносимых на боковую поверхность золотника, регистрировались значения из 5 измерений. За результирующее значение принималась медиана выборки, использование которой позволяет повысить устойчивость оценки при наличии выбросов значений.

Результаты изменения виброускорения в зависимости от динамической вязкости для сред МС-8П, МС-20 и ЦИАТИМ-201 представлены на рис. 7. в полулогарифмические координатах.

Рис. 7. Изменение виброускорения золотника от динамической вязкости.

Сравнение экспериментальных данных, приведенных  на рис. 7, с результатами математического моделирования (рис.6) показывает их качественное соответствие – с увеличением вязкости среды амплитуды вибрации снижаются. Количественные различия связаны с тем, что данные математического моделирования не учитывают всех факторов, воздействующих на амплитуду колебаний золотника при натурном моделировании. 

В четвёртой главе  представлены теоретические и экспериментальные  исследования по определению параметров динамического (ультразвукового) воздействия на золотниковые пары, устраняющего их заклинивание.

Разработана математическая модель вибрационного возбуждения корпуса, позволяющая  определить параметры процесса, необходимые и достаточные для отрыва золотника от корпуса  при заданной силе трения.

Для возбуждения продольных колебаний корпуса (и золотника) может быть использован электродинамический, пьезоэлектрический или ультразвуковой генератор, реализующий периодическое смещение торца корпуса по закону:

                      (18)

где  y0 – амплитуда продольного смещения; – круговая частота (число продольных колебаний за 2π секунд).

Каждая из точек корпуса (в том числе и золотник) испытывает ускорение:

,                            (19)

В результате на золотник действует инерционная сила:

,             (20)

амплитудное значение которой равно:

                                      (21)

Для отрыва золотника необходимо и достаточно, чтобы инерционная сила, действующая на золотник, превысила силу трения покоя:

  ,       (22)

где

С увеличением частоты продольных колебаний  f  инерционная сила возрастает по квадратичной зависимости.

Предельное значение частоты продольных колебаний определяется из условия размещения полуволны λ/2 на длине золотника l .

Только в этом случае весь золотник находится в одной фазе смещения. Значение предельной частоты продольных колебаний найдем из выражения:

  ,  (23)

где с – скорость звука в металле м/с: λ - длина  волны продольных колебаний: f – частота колебаний.

Тогда:, то есть частота  f продольных колебаний должна удовлетворять условию:

  (24)

Для стали с = 5850 м/с, и длине золотника в пределах l 0,03…0,06 м получим  f 195…97,5 кГц. Это соответствует ультразвуковому диапазону волн.

Кинетическая энергия колебаний золотника в фазе максимальной скорости равна:

                                (25)

учитывая, что                                                               (26)

получим:                                                         27)

Тогда мощность ультразвукового излучения, приходящаяся на золотник, будет равна:

                                                    (28)

учитывая, что, получим 

                                (29)                      

Мощность УЗ-излучателя, необходимая для возбуждения колебаний всего корпуса клапана, определится выражением:  (30),

где mКППД - масса всего корпуса клапана вместе с золотником.

Таким образом, определены параметры ультразвукового излучения, необходимые для отрыва золотника от корпуса:

                ;                .  (31)

Работоспособность модели проверена на примере блокировочного клапана, состоящего из золотника и втулки (рис. 8).

Рис.8. Золотник 3141.021(1) во втулке 3127.323.(2).

Золотник клапана помещался на установку ЛСАРТ-77, где в течение 16 часов при температуре +150оС в среде керосина ТС-1 в присутствии катализатора (медной пластинки) происходило отложение фактических смол, достаточное для его залипания.

  Возбуждение ультразвуковых колебаний производилось на доработанной установке «Кристалл 15», с использованием пьезокерамического преобразователя и концентратора ультразвуковых колебаний (рис. 9, 10).

Рис. 9. Концентратор с приклеенным переходником

Рис. 10. Переходник с приклеенным золотником

В процессе эксперимента втулка частично (на 1/8 длины) надевалась на золотник. Дальнейшее ее перемещение под собственным весом оказывалось невозможным из-за наличия смолоотложений на золотнике, накопленных в процессе выдержки золотника в течение 14 час. при t= +150оС.

При размещении золотника со втулкой в ультразвуковой установке (УЗУ) прибора «Кристалл-15» с использованием концентратора после включения прибора регистрировалось время опускания втулки, рассчитывалась скорость опускания в различных средах: фактические смолы, минеральное масло МС – 20, ЦИАТИМ -201, в двух последних средах испытывался чистый золотник.

Влияние ультразвукового воздействия на скорость и время опускания втулки золотника в различных сферах.

Таблица 4

Характер отложений (рабочей среды)

Скорость опускания втулки под собственным весом, см/с

Время опускания при включенном УЗУ, с

УЗУ выключено

УЗУ включено

Под собственным весом втулки

С нагрузкой 3,5 Н

1

Фактические смолы (после выдержки золотника в течение14 час. при +150оС)

0

1,43

4,2

2,4

2

Чистый золотник, смазанный маслом МС-20

0,54

2,14

2,8

1,5

3

Чистый золотник, покрытый смазкой ЦИАТИМ-201

0

1,66

3,6

2,0

Анализ результатов, приведенных в табл. 4, позволяют сделать следующие выводы:

  1. Отложения фактических смол, близкие по массе к критическому значению, препятствуют свободному перемещению золотника.

Перемещение оказывается возможным при включении УЗ-устройства.

  1. Повышение вязкости топлива, имитируемое использованием в качестве рабочей среды минерального масла МС-20 и пластичной смазки ЦИАТИМ – 201, снижает скорость перемещения втулки золотника (в последнем случае до нуля). Включение УЗ-устройства во всех случаях обеспечивает подвижность втулки.
  2. Время опускания существенно уменьшится при приложении дополнительной нагрузки, близкой к силе, создаваемой давлением топлива при работе золотника.

Приложение 1содержит сведения о неисправностях авиационных двигателей Д30-КУ/КП, связанных с отказами топливорегулирующей аппаратуры ( по данным бюро надежности ВАРЗ-400).

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ:

  1.Экспериментально и теоретически исследована кинетика роста массы отложений на конкретном золотнике при его контакте с авиационным керосином ТС-1 при различных температурах.

  2. Предложена методика определения наработки изделия до залипания золотниковых пар по результатам мониторинга их температурного состояния.

3. Установлена закономерность влияния температуры на скорость и время роста отложений до значений, при которых имеет место заклинивание золотниковой пары.

4. Разработана методика определения времени роста отложений до критических значений.

  5. Разработана диагностическая математическая модель, описывающая изменение вибрационных характеристик золотниковых пар, вызванное образованием отложений.

6. Разработана математическая модель и определены параметры динамического воздействия на золотниковые пары, устраняющего их заклинивание.

7. Определены параметры динамических воздействий на основе разработанных математических моделей.

8. Полученные результаты и методики позволяют производить раннее обнаружение ухудшения характеристик золотниковых пар путем анализа амплитуды свободных колебаний золотника на стационарном режиме.

9. Раннее обнаружение ухудшения амплитудных характеристик колебаний золотника позволит значительно снизить случаи отказов золотниковых пар топливорегулирующей аппаратуры авиационных ГТД путем использования управляемых динамических воздействий.

10. Таким образом, в данной работе  на основании выполненных автором исследований разработаны научно-обоснованные решения, имеющие существенное значение для развития воздушного транспорта России, повышения безотказности авиационных ГТД и безопасности полетов воздушных судов.

СПИСОК  ОСНОВНЫХ  ПУБЛИКАЦИЙ ПО  ТЕМЕ  ДИССЕРТАЦИИ

Основное содержание диссертации отражено в 12 научных работах, перечисленных ниже.

Научные публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Коняев Е.А., Урявин С.П. Разработка метода обеспечения надежности золотниковых пар топливорегулирующей аппаратуры ГТД.//Научный Вестник МГТУ ГА №147 –М.: МГТУ ГА, 2009, С.128-135.

2.Урявин С. П., Коняев Е.А. . Высокотемпературные отложения (ВТО) реактивных топлив: негативность, влияющие факторы, способы борьбы.//Научный Вестник МГТУ ГА  №162 –М.: МГТУ ГА ,2010,С.81-84. 3. Тимошенко А.Н.,  Урявин  С.П.,  Козлов А.Н. FAME – прямая угроза безопасности полетов.//Научный Вестник МГТУ ГА  №178 – М.: МГТУ ГА,2012, С.176-180.

4. Урявин С.П., Коняев Е.А., Джафари П.  Математическая модель процесса

залипания золотниковых пар топливорегулирующей аппаратуры авиационных ГТД.//Научный Вестник МГТУ ГА  № 179 –М.: МГТУ ГА, 2012, С. 146-150.

5. Система распознавания предотказного состояния золотниковых пар топливорегулирующей аппаратуры авиационных газотурбинных двигателей. Авторы: Урявин С.П., Коняев Е.А., Каюмов В.П. Патент  на полезную модель №110514  от 20.11.2011г.

6. Система оценки состояния золотниковых пар топливорегулирующей аппаратуры авиационных газотурбинных двигателей на основе анализа параметров свободных колебаний золотника. Авторы: Урявин С.П., Коняев Е.А., Каюмов В.П. Патент на полезную модель №111324 от 10.12.2011г.

7. Система предотвращения залипания золотниковых пар топливорегулирующей аппаратуры авиационных газотурбинных двигателей путем ультразвукового возбуждения корпуса. Авторы: Урявин С.П., Коняев Е.А., Каюмов В.П. Патент на полезную модель. №114179 от 03.11.2011 г.

  Научные публикации в других изданиях:

8. Урявин С. П. Коняев Е. А. Высокотемпературные отложения (ВТО) реактивных топлив: негативность, влияющие факторы, способы борьбы.// Сборник научных трудов ГосНИИ ГА № 311 –М.:ГосНИИ ГА, 2010,С. 98-101.

9. Урявин С. П. Тимошенко А. Н. О работе по отмене ограничений на применение авиатоплива ТС-1 со стороны зарубежных двигателестроительных корпораций.// Ассоциация организаций авиатопливообеспечения воздушных судов гражданской авиации. Информационный сборник №5, 2010 г. С. 34-37.

10. Урявин С. П., Голубева М.Г. Кинетика роста массы отложений на конкретном золотнике насоса-регулятора НР-30КП ГТД Д-30КУ при его контакте с керосином.//Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества. Сборник тезисов докладов участников Международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию образования МГТУ ГА.- М.:МГТУ ГА, 2011, С.53.

11. Урявин С.П., Коняев Е.А. Контроль состояния золотниковых пар ТРА ГТД методами вибрационной диагностики.//Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества. Сборник тезисов докладов участников Международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию образования МГТУ ГА.- М.:МГТУ ГА, 2011, С.45.

12. Урявин С. П. Коняев Е. А. Высокотемпературные отложения (ВТО) реактивных топлив: негативность, влияющие факторы, способы борьбы.// Ассоциация организаций авиатопливообеспечения воздушных судов гражданской авиации. Информационный сборник №6, 2011 г. С. 75-77.

Соискатель С.П.Урявин

 

 





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.