СПОСОБ ОЦЕНКИ ИЗМЕНЕНИЙ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТ И ПРИЧИН НЕИСПРАВНОСТЕЙ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
GAS TURBINE ENGINE HEALTH VARIATION ESTIMATION AND FAULT-FINDING IN OPERATION

Изобретение относится к области испытаний и эксплуатации газотурбинных двигателей, в частности двухконтурных, а именно, к контролю технического состояния во время их испытаний и эксплуатации для принятия решения по их обслуживанию и дальнейшей эксплуатации.
7
Из известных способов, наиболее близким к предложенному является способ оценки изменений технического состояния газотурбинного двигателя и определение мест и причин неисправностей в процессе эксплуатации, включающий измерение параметров, характеризующих среду и условия работы двигателя, фиксирование исходных значений параметров в начале эксплуатации, измерение текущих значений параметров во время эксплуатации и оценку технического состояния, установление причин его изменений по предельному допустимому отклонению при сравнении измеренных текущих параметров двигателя и исходных значений /RU №2168163 МПК G01M 15/00. Опубликовано: 27.05.2001/.
Недостатком известного способа является то, что он вследствие использования усредненных параметров, характеризующих среду и условия работы двигателя, дает лишь обобщенную оценку изменений, происходящих в узлах двигателя в процессе эксплуатации, и недостаточно точно выявляет конкретную причину или узел, который стал причиной ухудшения технического состояния двигателя, что приводит к несвоевременной запоздалой или, наоборот, преждевременной остановке двигателя.
Задача изобретения - наиболее точно в процессе эксплуатации определить необходимость в техническом обслуживании двигателя и определить причины, приведшие к ухудшению параметров двигателя и необходимость в остановке эксплуатации.
Ожидаемый технический результат - определение мест засорения, износа, повреждения проточной части газовоздушного тракта, для поддержания требуемого режимного состояния и эксплуатационных характеристик и повышение эксплуатационной экономичности газотурбинного двигателя.
<mrow><mo>−</mo><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup></mrow>
Технический результат достигается тем, что в известном способе оценки изменения технического состояния газотурбинного двигателя и установления причин неисправностей в процессе эксплуатации, включающем измерение параметров, характеризующих среду и условия работы двигателя, фиксирование исходных значений параметров в начале эксплуатации, измерение текущих значений параметров во время эксплуатации, оценку технического состояния и установление причин изменений по предельно допустимому отклонению при сравнении измеренных текущих параметров двигателя и исходных значений, по предложению, в качестве дополнительного параметра для оценки изменений технического состояния двигателя выбирают полную температуру газа за турбиной низкого давления
, измеренную не менее чем в 8 точках, равномерно распределенных по окружности в характерном сечении, определяют среднюю температуру и предварительно устанавливают предельно допустимое отклонение средней температуры от ее исходных значений в процессе эксплуатации, определяют точки с максимальной и минимальной температурой для исходных значений и измеренных текущих температур двигателя в процессе эксплуатации, а оценку изменений технического состояния, установление мест расположения неисправных узлов и причин неисправностей в процессе эксплуатации осуществляют по предельно допустимым отклонениям от средней температуры, месту расположения точек с максимальной и минимальной температурой и допустимой разнице между максимальной и минимальной температурой при сравнении измеренных текущих температур и их исходных значений.
<mrow><mo>−</mo><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup></mrow>
Оценку технического состояния производят при значениях разности температур
в точках с максимальной и минимальной температурой не более 110°C и отклонениях температуры во всех точках от среднего значения не более 10°C.
Предложенный метод определения мест засорения и износа материальной части двигателя (например, прогаров лопаток сопловых аппаратов) основан на определении изменения поля температур за турбиной. Для определения поля температур устанавливают за турбиной по периметру термопары в количестве, необходимом для определения наиболее полной картины о поле температур. При этом пользуются условием, что суммарная площадь установленных термопар не должна превышать более трех процентов от площади проточной части силовой установки.
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>max</mi><mo>−</mo><mi>min</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mi>i</mi></msub></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow>
При использовании метода используются такие показатели, как среднее значение показаний термопар
, разность между минимальным и максимальным показанием термопар
и для определения конкретного места засорения используют показания каждой термопары
. Перед применением метода необходимо задаться предельными отклонениями
, достигаемыми в процессе эксплуатации.
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>Δ</mi><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>max</mi><mo>−</mo><mi>min</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mi>i</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>Δ</mi><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
.
Предельные отклонения определяют расчетно-статистическим методом, то есть в процессе эксплуатации фиксируются показания термопар и проводятся осмотры узлов двигателя, а при обнаружении в результате осмотра повреждений материальной части двигателя проводят анализ показаний термопар, вследствие которого по набору статистики назначают предельное отклонение для диагностических признаков
Предлагаемый способ оценки изменений технического состояния газотурбинного двигателя и установление причин изменений в процессе эксплуатации предусматривает следующий прядок действий.
1пр
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>б</mi><mi>а</mi><mi>з</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi><mtext> баз</mtext></mrow></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>,</mo><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>min</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>max</mi><mo>−</mo><mi>min</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi><mtext> пред</mtext></mrow></msub></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>max</mi><mi>min</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mn>4</mn><mi>i</mi></mrow><mo>*</mo></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>T</mi><mrow><mn>4</mn><mtext> ср доп</mtext></mrow><mo>*</mo></msubsup></mrow>
При проведении приемосдаточных испытаний перед поставкой двигателя заказчику  измеряют температуру газа термопарами как минимум в восьми точках, распределенных равномерно по окружности при постоянном значении приведенных оборотов ротора n, и получают исходные (базовые) значения
баз для каждой термопары, для среднего значения
, определяют минимальное и максимальное значение показаний термопар
и вычисляют
. Определяют предельно допустимые значения отклонений для среднего значения по
и определяют место расположения термопар по разнице
.
В процессе эксплуатации осуществляют контроль изменения показаний термопар.
<mrow><mi>Δ</mi><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>max</mi><mo>−</mo><mi>min</mi></mrow></msub></mrow>
1. Выход за предельно-допустимые значения параметра
баз указывает на то, что произошло засорение в данном секторе форсунки основной камеры сгорания и либо информирует о прогаре соплового блока.
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi><mtext> </mtext></mrow></msub></mrow>
2. Выход за предельно-допустимые значения параметра
баз свидетельствует об ухудшении характеристик компрессоров и турбин плюс засорении форсунок основной камеры сгорания.
4
3. Выход за предельно допустимые значения показаний каждой термопары Т* баз позволяет определить сектор, где произошло засорение форсунки основной камеры сгорания либо прогар соплового блока.
При выходе за границы предельно допустимых значений параметров, по меньшей мере, одного из трех, прекращают эксплуатацию и проводят осмотры двигателя. По результатам осмотров принимают решение о проведении ремонтных работ.
На чертеже приведена схема размещения термопар.
1пр
Пример. Перед поставкой двигателя заказчику проводят измерение температуры газа за турбиной при постоянном приведенном значении частот вращения ротора n=95%, при этом термопары располагают в соответствии с приведенной схемой размещения термопар. Термопары измеряют температуру в отдельных секторах двигателя и сигнализируют о состоянии узлов двигателя в секторах.
В результате измерений получены следующие температуры:
*
*
*
*
*
*
*
*
41
42
43
44
45
46
47
48
T =702°C; T =709°C; T =705°C; T =710°C; T =710°C; T =700°C; T =690°C; T =730°C.
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi><mtext> </mtext></mrow></msub></mrow>
Определяли среднюю
температуру по результатам измерений.
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi><mtext> </mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mn>4</mn><mi>i</mi></mrow><mo>*</mo></msubsup></mrow></mstyle><mo>/</mo><mn>8</mn><mo>=</mo><mn>709,5</mn><mo>°</mo><mi>C</mi></mrow>
.
*
*
*
45
48
47
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>min</mi><mtext> </mtext></mrow></msub></mrow>
По результатам измерений получена максимальная температура =730°C, которую зафиксировали на термопарах T  и T , и получена минимальная температура
=690°C на термопаре T .
Определяют разность между максимальной и минимальной температурами:
<mrow><mi>Δ</mi><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>max</mi><mo>−</mo><mi>min</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>730</mn><mo>−</mo><mn>690</mn><mo>=</mo><mn>40</mn><mo>°</mo><mi>C</mi><mo>.</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi><mtext> </mtext></mrow></msub></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>max</mi><mi>min</mi></mrow></msub></mrow>
Поскольку данные температуры установлены на новом двигателе перед поставкой заказчику, то значения температур определяются конструктивными особенностями и на них не влияют возможные неисправности узлов. Значение
=709,5°C, и
=40°C принимают за исходные (базовые). Последнее значение температуры также характеризует интервал отклонений от средней базовой температуры, в котором должны располагаться все значения замеров термопар или (±20)°C.
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi><mtext> </mtext></mrow></msub></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msubsup><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>*</mo></msubsup><msub><mrow /><mrow><mi>max</mi><mi>min</mi></mrow></msub></mrow>
Для данной комплектации двигателя назначили предельно допустимое значение средней температуры
=719,5°C и предельно допустимое значение разности между максимальной и минимальной температурами
=110°C, до которой могут увеличиться их значение в процессе эксплуатации двигателя.
После установления исходных (базовых) значений температуры, проводят измерения температуры газа за турбиной в процессе эксплуатации двигателя на том же значении частоты вращения, что и в начале эксплуатации.
Данные о сравнительных испытаниях приведены в таблицах 1-3.
Анализ показывает, что при проведении первого контрольного измерения измеренные параметры не превышают предельно допустимые значения температуры, указанные в таблице 1, эксплуатация двигателя продолжается.
45
47
45
47
При проведении анализа второго контрольного измерения (таблица 3) отмечается превышение предельно допустимой разности между максимальной и минимальной температурой, причем произошло как увеличение температуры газа в секторе термопары №T, так и снижение температуры в секторе установки термопары №T, при этом предельно допустимая средняя температура осталась в пределах допуска. Такое изменение предельно допустимого значения сигнализирует о том, что необходимо произвести останов эксплуатации и выполнить осмотр в секторах установки вышеуказанных термопар. Причем в секторе установки термопары №T, где произошло увеличение температуры газа, которое свидетельствует о возможном прогаре соплового аппарата турбины, необходимо выполнить более тщательный осмотр. В секторе установки термопары №T необходимо выполнить осмотр форсунок основной камеры сгорания на предмет их засорения, коксования. По результатам осмотров определяют степень повреждения, либо засорения материальной части и принимаем решение о продолжении эксплуатации, либо ремонте двигателя.
Из рассмотрения данных, полученных при третьем контрольном измерении (таблица 3), отмечается превышение предельно допустимого среднего значения температуры газа, при этом предельно допустимая разность между максимальной и минимальной температурой газа осталась в пределах допуска. Такое изменение предельно допустимых значений сигнализирует о вероятном загрязнении проточной части двигателя. В этом случае необходимо провести осмотр проточной части и выполнить промывку газовоздушного тракта двигателя для восстановления параметров с последующим продолжением эксплуатации.
43
48
При анализе результатов четвертого контрольного измерения, отмечается комплексное превышение предельно допустимых значений, установленных в начале эксплуатации, что указывает на загрязнение проточной части, так и возможных разрушениях сопловых аппаратов в секторе установки термопары №T, так и о засорении форсунок основной камеры сгорания в секторе установки термопары №T. Необходимо срочно остановить эксплуатацию и выполнить осмотр проточной части двигателя.
Пример приведен как частный случай. При использовании метода нужно аналогичным способом выполнять контроль остальных показателей диагностики, указанных в изобретении. При выходе хотя бы одного из показателей производится останов двигателя с последующими осмотрами в зонах отклонения и принятием решения по результатам осмотра.
Применение изобретения позволяет повысить точность определения мест засорения, износа, повреждения проточной части газовоздушного тракта, повысить надежность поддержания требуемого режимного состояния и эксплуатационных характеристик, повысить эксплуатационную экономичность газотурбинного двигателя.