Инновационные технологии обслуживания газотурбинных двигателей

В данный период времени в авиации существует огромное количество разнообразных двигателей. Это разнообразие обусловлено наличием большого числа авиационной техники, которая, в силу его индивидуальных качеств, имеет свое практическое применение.

Как известно, главная задача создания авиационного двигателя – это изготовление его надежной и технологичной конструкции. Помимо этого, необходимо учитывать экономический фактор, который предусматривает ограничения в денежных затратах на производство и ремонт двигателя без ущерба его технологического состояния. Поэтому необходимо создавать и принимать решения, направленные на удовлетворение ряда требований на этапе обслуживания авиационной техники и его двигателей в том числе.

В связи с применением газотурбинного двигателя в разных климатических областях возможно засасывание некоторого количества песка во внутренние полости двигателя, в частности, в турбину низкого давления, или его оседание на внутренних стенках на выходе в камере сгорания. В результате может образовываться слой из самого песка и уплотненного загрязненного агломерата песка, который препятствует визуальному контролю некоторых частей двигателя во время операций обслуживания. Вместе с этим возникает риск повреждения опорных подшипников, которые являются деталями, чувствительными к загрязнению.

Для поддержания газотурбинного двигателя в исправном состоянии проводится его технологическая операция очистки. В связи со сложной конструкцией двигателя, а также необходимой защиты его некоторых частей от моющих средств, технологический процесс очистки двигателя относительно сложный, и для большинства конструкций и типов газотурбинных двигателей начинается с предварительного этапа разборки и дальнейшей работы по модулям отдельно. Данные технологии, несмотря на свою простоту, требуют достаточно большого количества времени и экономических затрат, так как процесс разборки и сборки двигателя дорогостоящий. В связи с этим необходимо применение новой технологии очистки двигателей, не имеющих данных недостатков.

Для предотвращения загрязнения составных частей газотурбинного двигателя применяют разные методы очисток. В основном существуют 3 способа очистки двигателей: сухой способ, мокрый способ очистки, который включает в себя физико-химический и гидродинамический методы, демонтаж и разборка двигателя.

Способ сухого метода очистки применяют уже достаточно долго. При работе двигателя на малых режимах в проточную часть компрессора подается с воздухом органический или неорганический очиститель – мягкий абразив. В качестве таких очистителей могут применяться:

• молота скорлупа орехов, фруктовых косточек, а также рис, просо, отруби, опилки, крошки угля;
• инертные вещества в виде отработанных катализаторов, полированных порошков;
• возгоняющие вещества, например, углекислый аммоний.

Применение данного метода для очистки двигателей ограничено по причине возможности повреждений покрытий рабочих лопаток и покрытий проточной части, которые наносятся на корпус для уменьшения радиальных зазоров, а также из-за высоких вибраций лопаток компрессора и турбины. Данный способ очистки следует применять в случае сильных загрязнений двигателя.

Мокрый метод очистки заключается в использовании деминерализованной воды или смеси данной воды с моющим средством для удаления солевых, сажистых и маслянистых отложений. Этот способ очистки эффективнее сухого метода, так как восстанавливает практически полностью характеристики двигателя. Промывка «на ходу» может использоваться в случае, если моющий раствор не вызывает коррозии элементов газотурбинного двигателя. Данный способ очистки представляет сложный физико-химический процесс, который следует рассматривать как совокупность следующих свойств моющей жидкости:

• растворяющей способности, которая в явном виде проявляется у растворителей типа ацетона, бензина, спирта или фреона;
• смачивающей способности;
• эмульсионной способности, которая характеризуется способностью моющей жидкости образовывать с нерастворимым жидким загрязнением устойчивую дисперсную систему;
• диспергирующей способности, которая характеризуется особенностью проникновения моющего состава в зазоры и трещины между твердыми частицами загрязнения, что в итоге приводит к уменьшению сил адгезии, то есть прилипания частиц к поверхности тела;
• стабилизирующей способности, которая влияет на удаление загрязнений, находящихся в подвешенном состоянии.

К гидродинамическим методам относятся методы, основанные на воздействии загрязнения потоком жидкости, способным оторвать загрязнения от поверхности и вынести их из внутренних полостей. Такой метод включает в себя струйную очистку, эмульсионную очистку, очистку пульсирующим, турбулентным или газожидкостным потоком, ультразвуковую очистку. Так как любая моющая жидкость обладает физико-химическим свойством, рассматриваемый вид очистки складывается из работы, совершаемой очищаемой средой – жидкостью, и работы, обусловленной гидродинамическим воздействием на загрязнения.

Как отмечалось ранее, промывку двигателя можно осуществлять на работающем двигателе «на ходу» и на режиме «холодной прокрутки».

Режим «холодной прокрутки» подразумевает прерывание нормальной эксплуатации двигателя и его промывки без разборки. Данный режим примечателен тем, что очистительная жидкость в течение продолжительного времени находится на очищаемой поверхности, также очистке подвергаются внутренние поверхности двигателя. Время простоя при таком режиме определяется временем охлаждения двигателя. Для двигателей высокой мощности процесс простоя может занимать от 8 до 10 часов, для малых газотурбинных двигателей от 1 до 3 часов.

Цель промывок «на ходу» заключается в увеличении продолжительности работы двигателя между режимом «холодной прокрутки» путем регулярности процесса очистки, соблюдения технологии проведения процедуры и вида промывочных жидкостей. Преимущество такой промывки в быстроте операции, по причине этого нет необходимости останавливать нормальную работу двигателя. Режим «на ходу» повторяется через короткие промежутки времени, приблизительно каждые три дня. Продолжительность такой промывки зависит от опыта его эксплуатации, района работы, степени загрязненности атмосферы и качества топлива, цикл промывки занимает в среднем 10-20 минут.

Несмотря на широкое применение мокрого способа очистки, он, как и другие методы, имеет свои недостатки.

При использовании мокрого способа очистки нужно уделять внимание самой жидкости, так необходимо использовать только подогретую дистиллированную воду, подтвердившую свою эффективность в ходе испытаний, ее применение предпочтительно с точки зрения окружающей среды и стоимости самой промывки.

Еще одним недостатком при использовании такого способа очистки является тот факт, что при промывке моющем раствором образующаяся легкая пена способна попасть в трубопроводы двигателя и не удалиться при следующей промывке водой. Так, моющие растворы способны оставлять осадок или налет при испарении, увеличивая тем самым загрязнение составных элементов двигателя. Массовая доля неиспарившихся образования может достигать до 2 процентов.

Кроме того, стоит учитывать, что водный раствор необходимо корректно распылять по тракту двигателя, поэтому при процедуре очистки нужно создавать капли оптимального размера, обладающие достаточной кинетической энергией, иначе не будет необходимого очищающего воздействия.

В качестве примера, использующий мокрый способ очистки, можно рассмотреть автоматическую систему промывки осевого компрессора от американской фирмы «GeneralElectric». Эта система обладает достаточной высокой эффективностью и предназначена для промывки на ходу и на холодной прокрутке.

Применяемая система осуществляет подогрев воды, смешивание ее с растворителем в определенном заданном отношении и впрыск в компрессор в течение заданного времени. В ряде случаев отложения в компрессоре содержат какое-то количество растворимых в воде веществ и масла.

Моющие средства легко удаляют масла, однако любые отложения могут удаляться и одной водой в зависимости от количества водорастворимых веществ. На рисунках 1-2 представлены результаты промывки осевого компрессора от загрязняющих веществ.

Рис. 1. Лопатки осевого компрессора до промывки

Рис. 2. Лопатки осевого компрессора после промывки

Фирма «General Electric» рекомендует проводить промывку на ходу чистой водой, без использования моющего средства (очистителя). Эффективность очистителя при промывке на ходу, по мнению фирмы, ограничена ввиду отсутствия достаточного времени на отмачивание по сравнению с промывкой на холодной прокрутке. Более эффективная промывка осуществляется горячей водой 66–93 ̊С. Промывка на ходу допускается при температурах наружного воздуха T_В выше 10 ̊С. При более холодных условиях в моющий раствор добавляются антифризы.

Специалисты компании ОАО «Авиадвигатель» разработали свою технологию промывки газовоздущного тракта двигателя. Оборудование представляет собой установку для подачи рабочей моющей жидкости и коллектор с форсунками для формирования дисперсного потока и дальнейшего его направления в газовоздушный тракт двигателя. Конструкция форсунок выполнена так, чтобы создавать поток капель оптимального диаметра. Подготовка двигателя к промывке, установка оборудования и непосредственно процедура очистки, по мнению создателей устройства, не должна вызывать трудностей и занимает около 70-80 минут. Промывка газовоздушного тракта возможна в любом месте при наличии источника питания 380 Вольт.

Еще одним способом мокрой промывки является метод, разрабатываемый немецкой компанией Lufthansa Technik, который обозначили Cyclean 2.0. Инженеры компании предлагают использовать гранулы сухого льда вместо воды, которые не будут вредить механизмам воздушного тракта двигателя даже при температуре ниже - 10. Традиционно авиационные двигатели моют струей воды под напором, а процесс очистки силовой установки занимает больше часа.

Установка Cyclean 2.0 распыляет в двигатель крупицы сухого льда диаметром менее 1 мм, температура которых составляет около –78°C. Предполагается, что частицы льда будут сбивать грязь с механизма, а затем выдуваться мощной струей воздуха.

Такой метод очистки по заверению специалистов компании имеет ряд преимуществ:

• процесс очистки будет занимать гораздо меньше времени (до 30 минут);
• снижение затрат на техническое обслуживание;
• экономия объемов воды, а также очистка двигателя зимой.

Третий способ очистки двигателя подразумевает его демонтаж и разборку. Этот способ самый эффективный, так как тщательно прочищаются все составные элементы конструкции, однако является самым дорогим и требует съема и доставки двигателя на завод. В течение длительного времени между заводскими ремонтами двигатель будет эксплуатироваться с пониженными рабочими параметрами.

Таким образом, при анализе 3 существующих способов очистки, можно заметить тенденцию улучшения технологий и методов средств очистки. Каждый конкретный способ имеет характерные плюсы и минусы, и нет нужды сравнивать их между собой, так как каждый из них независим друг от друга и выполняет свою определенную роль в процессе очистки газовоздушного тракта двигателя.