АЛ-31Ф: ДИАГНОСТИКА И РЕМОНТ
Юрий Елисеев,
генеральный директор ФНПЦ ММПП “Салют”,
кандидат технических наук
Кирилл Малиновский,
кандидат технических наук, доцент
Создание высокоэффективных базовых двигателей - одно из основных направлений унификации в двигателестроении. Это направление требует, чтобы типоразмеры и уровень совершенства базового двигателя гарантировали его максимальную применяемость и наиболее медленное моральное старение. Создание базового двигателя должно обеспечивать надежную основу для дальнейшего модифицирования и развития. Примером удачного решения перечисленных проблем является авиационный газотурбинный двигатель АЛ-31Ф, серийно выпускаемый в ФНЦП ММПП “Салют” (Москва) и УМПО (г. Уфа).
В практике двигателестроения определились следующие направления процесса модификации базового двигателя:
- приспособление для других объектов без изменения качеств;
- модернизация с получением новых качеств при взаимозаменяемости с базовым двигателем;
- развитие с существенным улучшением данных без сохранения взаимозаменяемости;
- создание базового генератора и развитие на его основе семейства двигателей.
Двигатель АЛ-31Ф (фото 1) может считаться базовым для создания семейства двигателей этого класса. В ФНПЦ ММПП “Салют” непрерывно ведутся работы по модификации двигателя с целью улучшения его данных, увеличения ресурса и повышение надежности при сохранении взаимозаменяемости с исходным образцом.
Безаварийная эксплуатация ГТД, увеличение ресурса и эксплуатация по фактическому техническому состоянию невозможны без современных методов и средств диагностического контроля. Поэтому на “Салюте” еще в 1982 г. было создано конструкторское бюро диагностического контроля (КБДК). За время существования этого подразделения разработаны уникальные методики и оборудование, позволяющие контролировать техническое состояние двигателя как установленного на самолете, так и снятого с него. Постоянно проводятся работы по созданию и усовершенствованию методов и средств технической диагностики на основе передовых достижений в области измерительной и вычислительной техники.
Среди многочисленных разработок КБДК следует отметить видеотелевизионный измерительный комплекс (фото 2), предназначенный для эффективного и качественного контроля состояния и замера выявленных повреждений проточной части авиационных двигателей с выводом изображения на цветной монитор через жесткие и гибкие эндоскопы. Система обеспечивает документирование полученных изображений на магнитный регистратор или на фотопленку. В состав комплекса может входить персональный компьютер, доработанный под специальную программу, с пультом управления, монитором и принтером, что позволит производить обработку изображения с замером выявленных повреждений и документированием полученных результатов замера и изображения на принтере.
В КБДК разработано и создано семейство виброакустических приборов ДИП (четыре модификации), которые успешно применяются для проведения быстрого и качественного контроля состояния начальной стадии разрушения межвальных, межроторных и других подшипников качения на газотурбинных двигателях как установленных на самолетах, так и демонтированных с них. При этом контроль осуществляется на неработающем двигателе без закрепления датчиков на корпусе двигателя и в узлах крепления штатных датчиков вибраций. Приборы семейства ДИП выявляют дефекты в виде мелких точечных выкрашиваний (питтинг), раковин, сколов и трещин на сепараторах, выработку беговых дорожек и тел качения, а также их проскальзывание, что вызывает колебания корпусов , узлов и агрегатов.
В настоящее время создан новый универсальный виброакустический диагностический индикатор машин “ВАДИМ” (фото 3). По сравнению с предыдущими образцами ДИПов прибор “ВАДИМ” имеет пять информативных фильтров с различным диапазоном рабочих частот, что позволяет использовать его для диагностики подшипников на различных типах двигателей. Еще одним принципиальным отличием нового прибора является то, что он измеряет не средние, а среднеквадратические значения (СКЗ) и их пиковые значения. Прибор опробован при контроле подшипников на двигателях АЛ-31Ф, АЛ-31ФП, АЛ-37ФП, АЛ-39, АЛ-41, АЛ-55, Д-30, Д-ЗОКП, Д-ЗОКУ, АИ-25ТЛ. У нового прибора расширен диапазон рабочих температур измерительного блока (от -30° С до +50° С). Он создан на новой элементной базе. Питание прибора “ВАДИМ” - автономное. В настоящее время прибор проходит сертификацию в Госстандарте России.
На АЛ-31Ф и его модификациях, включая выносную коробку агрегатов, установлено 18 различных типов неразборных подшипников. Общее их количество – около 100. При ремонте двигателя часто оказывалось, что техническое состояние неразборных подшипников было вполне удовлетворительным и они годились для дальнейшей эксплуатации, но из-за отсутствия методики оценки их состояния, как правило, заменялись на новые. По результатам проведенных исследований был получен и теоретически обоснован количественный критерий оценки технического состояния подшипника. Также была создана установка и разработан прибор, позволяющий по замеренным средним и пиковым величинам амплитуды вибраций определять численное значение критерия и оценивать запас работоспособности подшипника. То есть обоснованно принимать решение о замене подшипников при ремонте двигателя.
Помимо этого, в ФНПЦ ММПП “Салют” разработано много уникальных приборов неразрушающего контроля, позволяющих на ремонтных базах и в полевых условиях определять техническое состояние элементов двигателя. В частности: Вихревой дефектоскоп ВДУ-20. Предназначен для контроля состояния лопаток турбины и компрессора, а также других деталей ГТД. Дает возможность получать информацию о наличии усталостных трещин на лопатках и других деталях ГТД в процессе производства, при испытаниях и в эксплуатации. Успешно используется при эксплуатации двигателей АЛ-31Ф, Д-30, Д-ЗОКУ, Д-33.
Электроиндукционный толщиномер гальванических покрытий ПКС. Предназначен для неразрушающего контроля толщины серебряных гальванических покрытий на деталях различной формы и размеров из титановых сплавов и нержавеющих сталей в лабораторных условиях.
Фотоэлектрический прибор ФЭП-1. Предназначен для определения наличия и контроля тангенциальных отверстий внутри охлаждаемых лопаток ГТД. Прибор может применяться для контроля перфорации в труднодоступных внутренних полостях различных деталей и узлов. Контроль производится с помощью жесткого и гибкого световодов, изготовленных из оптического волокна. Диаметр рабочей части световодов - 1,7 мм.
Ремонтопригодность двигателя обеспечивается модульностью его конструкции и возможностью восстанавливать работоспособность узлов и деталей не только на ремонтном предприятии, но и в условиях эксплуатации. Так, например, конструкция двигателя АЛ-31Ф позволяет производить в условиях эксплуатации модульную замену КНД, ВКА, КДА, фронтового устройства, регулируемого сопла. Без разборки двигателя могут быть устранены допустимые повреждения на рабочих лопатках КНД, а также заменены рабочие лопатки 1 ступени КНД и всех ступеней КВД.
На предприятии применяются специальные технологические процессы по восстановлению таких деталей и узлов как антивибрационные полки на рабочих лопатках компрессора, бандажные полки на лопатках турбины, посадочные места под подшипники, дефекты на жаровых трубах и корпусах камеры сгорания. Поврежденное хромоалитированное покрытие на рабочих лопатках ТВД заменяется на новое жаропрочное посредством ионно-плазменного напыления. Теплозащитные покрытия на внутренних поверхностях жаровых труб восстанавливаются методом газоплазменного напыления. При повреждении пера лопаток КНД и КВД осуществляется ремонт с использованием электроннолучевой сварки и пайки.
Характерной чертой производства на ММПП “Салют” является большая доля ремонтных работ, что потребовало новых технологических решений. До настоящего времени одной из проблем при ремонте газотурбинных двигателей была очистка деталей от нагара и эксплуатационных загрязнений, что необходимо для качественного проведения контроля, особенно при дефектации специальными методами (ЛЮМ, цветная дефектоскопия). Применяемые ранее методы удаления нагара были или малоэффективны, или частично снимали специальные жаростойкие покрытия с лопаток ТВД и ТНД. По мере наработки изделия на рабочих лопатках и сопловых блоках ТВД, на лопатках компрессора, на деталях форсунок топливного коллектора появляется специфический для каждого случая налет. Сильное эксплуатационное загрязнение имеют детали крепежа, особенно в зоне реактивного сопла и фронтового устройства.
На “Салюте” разработан новый технологический процесс по снятию нагара с деталей ГТД. В его основу заложен принцип предварительного разрыхления нагара с помощью химических составов, нагретых до определенной температуры, и его удаления виброабразивным методом с использованием специального оборудования. Новая технология очистки обеспечивает:
- полное удаление нагара и высокую чистоту поверхности с сохранением хромоалитированного и алюмосилицированного покрытия;
- исключение из действующих техпроцессов абразивной обдувки, частично и неравномерно снимающей покрытие;
- уменьшение остаточных напряжений в поверхностном слое пера лопатки;
- повышение чистоты поверхности на один класс без изменения геометрии лопаток.
Проведенные исследования лопаток ТВД, прошедших очистку от нагара по новым технологическим процессам, подтвердили перспективность применения таких процессов практически для всех деталей (фото ).
Среди внедренных новых ремонтных технологий отметим ремонт жаровых труб основной камеры сгорания. Элементы жаровых труб работают в сложных условиях термомеханического нагружения. Наиболее трудные условия – в сужающейся части проточного участка камеры сгорания. Особенно напряженными являются козырьки, направляющие воздух. Их максимальная температура достигает 1000 ° С.
Более радикальным мероприятием, проводимым на “Салюте”, является замена поврежденного участка камеры сгорания на новый во время ремонта. При этом сохраняется самая дорогостоящая часть камеры.
Наружный смеситель жаровой трубы – составной, разборный и проблем с заменой поврежденного участка не возникает. Внутренний смеситель - неразъемный из сварных колец. Поэтому при ремонте поврежденная часть жаровой трубы отрезается и взамен приваривается новая. Принципиальным в этой операции является выбор места сварного шва и вопрос влияния повторной сварки на прочностные характеристики сварного шва и зоны термического влияния сварки.
Для ответа на эти вопросы было проведено термометрирование стенок жаровой трубы на огневом стенде и выбрано место расположения сварного шва. Проведены испытания на термомеханическую усталость трех партий сварных образцов из сплава ЭП648ВИ, вырезанных из жаровых труб. При этом было установлено, что микроструктура материала образцов в районе ремонтного сварного шва и околошовной зоны оказалась не хуже структуры материала жаровой трубы с наработкой в этом же месте. Приварка к эксплуатировавшейся секции новой секции при ремонте жаровой трубы практически не понизила термоциклического ресурса сварного соединения.
Созданная в ФНПЦ ММПП “Салют” диагностическая база и разработанная система ремонта и восстановления двигателя АЛ-31Ф позволили значительно повысить его гарантийный и общетехнический ресурс и эксплуатационную надежность.
