УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МЕЖРОТОРНОГО ПОДШИПНИКА АВИАЦИОННОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ В ЭКСПЛУАТАЦИИ

Полезная модель относится к вибрационному контролю технического состояния межроторных (межвального) подшипников качения двухвальных авиационных газотурбинных двигателей в эксплуатации.
Известен способ прогнозирования технического состояния подшипников качения, при котором в полости внутреннего вала ротора в зоне межвального подшипника устанавливают вибродатчик. Внутренний вал ротора жестко закрепляют в окружном направлении, раскручивают наружный вал ротора до заданных частот вращения, производят замер спектра вибросигналов и определение резонансных частот. После остановки наружного вала производят повторные замеры в двух и более окружных положениях внутреннего вала ротора и оценивают техническое состояние подшипника. При проведении повторных замеров вибродатчик перемещают вместе с внутренним валом, при этом выбирают положения вибродатчика выше и ниже горизонтальной плоскости симметрии, проходящей через ось вращения внутреннего вала. В каждом из окружных положений вала определяют амплитуду колебаний вибродатчика, соответствующую резонансной частоте, затем из всех значений амплитуд выбирают наибольшее. По тому, какому положению вибродатчика относительно горизонтальной плоскости симметрии внутреннего вала соответствует это наибольшее значение, судят о техническом состоянии подшипника. Если наибольшее значение амплитуды соответствует положению вибродатчика ниже горизонтальной плоскости симметрии внутреннего вала и не превышает предельно допустимое значение прогноз технического состояния подшипника - положительный, если наибольшее значение амплитуды соответствует положению вибродатчика выше горизонтальной плоскости симметрии внутреннего вала - прогноз отрицательный (RU, 2238532, G01M 13/04, 2002г.).
Недостатком выше описанного способа в том, что такие мероприятия по отбраковке дефектных подшипников возможны в специальных условиях при проведении трудозатратных работ на стенде с установкой вибродатчика в полости внутреннего вала ротора в зоне межвального подшипника. Для оценки технического состояния подшипника в эксплуатации такой способ мало реализуем.
Известен способ диагностики межвальных подшипников качения двухвальных турбомашин путем измерения вибрации наружного корпуса и определения резонансных частот, при котором предварительно раскручивают вал для измерения гармоник частоты следования тел качения подшипника, отключают привод вращения, последовательно поворачивают один из валов турбомашины на угол  где z число тел качения подшипника, n=1, 2, 3, и закрепляют, в каждом угловом положении этого вала раскручивают другой вал до частоты вращения, при которой совпадают предварительно измеренные гармоники частоты следования тел качения с резонансной частотой наружного корпуса турбомашины в месте установки вибродатчика, и отключают привод, в начале свободного вращения измеряют среднее значение вибрации наружного корпуса, которое принимают за пороговый уровень для установленного углового положения при состоянии подшипника, определяемом техническими условиями, затем во время свободного вращения до остановки вала измеряют среднее значение амплитуд, количество и частоту следования импульсных вибросигналов наружного корпуса, превышающих пороговый уровень, после этого устанавливают и закрепляют вал в другом угловом положении и повторяют измерение, по измеренным среднему значению амплитуд, количеству и частоте следования импульсных вибросигналов путем сравнения с пороговыми значениями судят о наличии дефекта (SU, 1807770, А1 01М 13/04, 1996 г.).
Недостатком вышеописанного способа является сложность процедуры измерения гармоник частоты следования тел качения подшипника и ограниченные возможности определение дефекта вследствие использования осредненного уровня вибраций, полученного после определения дефектной зоны с помощью полосового фильтра.
Известно устройство, включающее вибродатчик, устанавливаемый на наружном корпусе контролируемого механизма на борту ЛА, замеренных при вращении одного из роторов на выбеге. Определяют дефектную зону по результатам прогнозирования в два этапа, на первом этапе формируют диагностическую модель, на втором этапе прогнозируют по этой модели техническое состояние диагностируемого подшипника из семейства зависимостей средних значений амплитуд вибраций от наработки, при этом на первом этапе измеряют среднее значение амплитуд вибросигналов, раскручивая вал до скорости, при которой возбуждаются частоты превышающие резонансную частоту наружного корпуса с вибродатчиком, затем привод отключают и измеряют указанное значение при замедляющемся вращении вала в заданном диапазоне скоростей вращения. RU 2013756.G01M 13/04 1994.
Однако прогнозирование усложняется тем, что получение диагностической модели, состоящей из семейства зависимостей средних значений амплитуд вибраций от наработки в виде кривых, характер которых зависит от исходного состояния подшипниковых узлов и требует набора статистики и больших временных затрат. Кроме того, контроль вибраций проводится по среднему уровню вибраций без выявления диагностических частот подшипника, что снижает достоверность оценки его состояния.
Известен способ обнаружения дефектов межвальных подшипников двухконтурных газотурбинных двигателей (ГТД), проявляющихся в повышенных вибрациях на выбеге роторов. Задача решается тем, что виброметр, содержащий датчик вибрации, блок электронный и регистратор, снабжен дополнительным усилителем. В качестве регистратора предлагается использовать самолетный бортовой регистратор типа «Тестер УЗ» либо магнитный самолетный регистратор параметров типа «МСРП». При регистрации вибрации на выбеге имеется то преимущество, что при снижении оборотов ГТД от рабочих до полного останова роторов быстрее уменьшаются сильные составляющие вибрации, вызванные, например, газодинамическими шумами, дисбалансом роторов и т.д., а слабые по сравнению с ними вибрации, в частности, межвальных подшипников, вызванные зарождающимися дефектами тел качения и колец, проявляются без помех. Различным дефектам свойственны свои обороты выбега (SU, 2073224, G01M 13/04).
Недостатком вышеописанного способа является сложность выбора амплитудной характеристики (АХ) виброметра с переменной крутизной, обеспечивающей регистрацию на выбеге слабого сигнала.
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, является повышение достоверности прогнозирования состояния межроторного (межвального) подшипника, определение наличия дефекта в элементах подшипника и повышение безопасности полетов маневренных самолетов в эксплуатации.
Для достижения названного технического результата в устройство для прогнозирования технического состояния межроторного подшипника авиационного газотурбинного двигателя в эксплуатации, содержащем электронное устройство, вибродатчик, введен индикатор, установленный в кабине летчика, а электронное устройство снабжено вычислителем спектра вибропроцесса посредством быстрого преобразования Фурье (ВСВ), с подключаемой к его выходу флеш-памятью, блок настроечных данных, содержащий: значения частот вращения, амплитуды виброскоростей для ротора высокого давления (РВД), сепаратора межроторного подшипника, амплитуды виброскорости для ротора низкого давления (РНД), граничную виброскорость сепаратора, коэффициенты Крнд, Крвд, рассчитываемые исходя из геометрических размеров различных типов подшипников для расчета частоты вращения сепаратора; подключенные к его выходам входами следующие блоки: блок идентификации частоты вращения (ИЧВ) ротора высокого давления (РВД) в спектре измеренного вибропроцесса с расчетным значением частот Fрвд расч. ±Δf и сравнения виброскорости с расчетным значением; блок идентификации частоты вращения (ИЧВ) сепаратора межроторного подшипника в спектре измеренного вибропроцесса с расчетным значением частот Fcen. расч. ±Δf и сравнения виброскорости с расчетным значением; блок сравнения фактического значения виброскорости сепаратора с допустимым уровнем виброскорости сепаратора; блок идентификации частоты вращения (ИЧВ) ротора низкого давления (РНД) в спектре измеренного вибропроцесса с расчетным идентифицированным значением частот Fpнд расч. ±Δf и сравнения виброскорости с расчетным значением; блок расчета идентифицированной частоты вращения Fpнд ротора низкого давления РНД в испытательном режиме из алгоритма:
Fcen=Крвд*Fф.рвд+Крнд*Fф.рнд, (1)
связанные двумя первыми выходами блоков ИЧВ ротора РВД, сепаратора по идентифицируемым частотам Fфакт. рвд, Fфакт. сеп. с входами блока расчета частоты вращения РНД. При этом вибродатчик встроен в электронное устройство, размещенное на корпусе двигателя, выход вибродатчика связан с последовательно соединенными вычислителем спектра ВСВ, блоком ИЧВ ротора РВД в спектре измеренного вибропроцесса с расчетным значением частот Fрвд расч. ±Δf, и сравнения виброскорости с расчетным значением Vрвд. факт.≥ Vрвд. расч, подключенный вторым выходом по превышению виброскорости -Vрвд. расч к первому нормально разомкнутому переключателю (Р1), соединяющим выход блока ВСВ с входом блока ИЧВ сепаратора межроторного подшипника в спектре измеренного вибропроцесса с расчетным значением частот Fcen. расч. ±Δf, и сравнения виброскорости с расчетным значением Vсеп. факт.≥ Vрвд. расч, второй выход которого по превышению расчетной виброскорости Vрвд. расч соединен со вторым нормально разомкнутым переключателем (Р2), соединяющем выход ВСВ с входом блока ИЧВ ротора РНД в спектре измеренного вибропроцесса с расчетным идентифицированным значением частот Fpнд расч. ±Δf и сравнения виброскорости с расчетным значением Vpнд факт.≥. Vpнд расч, выход блока ИЧВ ротора РНД по превышению виброскорости - Vpнд расч подключен к третьему нормально разомкнутому переключателю (Р3), соединяющем блок ИЧВ сепаратора межроторного подшипника третьим выходом по фактической виброскорости сепаратора с входом блока сравнения фактической виброскорости сепаратора с допустимым уровнем виброскорости сепаратора, Vф.сеп ≥ Vсеп.доп, выход которого соединен с четвертым нормально разомкнутым переключателем (Р4), соединяющем бортовой источник питания с индикатором: «опасные вибрации межроторного подшипника» (0 В МРП), а электронное устройство подключается к бортовому источнику питания через выключатель кнопочный нажимной «Контроль» в кабине летчика на заданной частоте вращения РВД.
Новым является то, что предлагаемое устройство контроля состояния межроторного подшипника, обеспечивает идентифицикацию заданной диагностической частоты в широкополосном сигнале вибропроцесса (без использования штатных каналов измерения частоты вращения роторов) и выдает сообщение о техническом состоянии межроторного подшипника перед каждым полетом ЛА, и этим обеспечивает повышение безопасности полетов самолетов в эксплуатации.
Кроме того, полезная модель не требует специального места размещения на корпусе двигателя и имеет встроенную флеш-память, для регистрации вычисленных значений спектра.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется следующими фигурами:
на фиг 1 приведена блок-схема полезной модели;
на фиг.2 показан общий вид полезной модели;
на фиг.3 представлена спектрограмма вибропроцесса, полученного при нормальной работе межроторного подшипника, где показаны виброскорости на частотах вращения Fрвд-14, Fcen-15, Fрнд-16;
на фиг.4 представлена спектрограмма вибропроцесса, полученного при развитии дефекта в межроторном подшипнике, где показаны виброскорости на частотах вращения Fрвд-14, Fсеп-15, Fрвд-16.
Для пояснения сущности полезной модели на фиг.1, 2 представлены общий вид и блок-схема предлагаемого устройства для прогнозирования технического состояния межроторного подшипника авиационного газотурбинного двигателя в эксплуатации, где изображены: встроенный в устройство вибродатчик 1, вычислитель спектра вибропроцесса посредством быстрого преобразования Фурье (ВСВ) 2, с подключаемой к его выходу флеш-памятью 8, блок настроечных данных, содержащий: значения частот вращения, амплитуды виброскоростей, коэффициенты Крнд, Крвд для расчета частоты вращения сепаратора, допустимую виброскорость сепаратора 3; подключенные к его выходам следующие блоки: блок идентификации частоты вращения РВД в спектре измеренного вибропроцесса с расчетным значением частот Fрвд расч. ±Δf, и сравнения виброскорости с расчетным значением 4; блок идентификации частоты вращения сепаратора межроторного подшипника в спектре измеренного вибропроцесса с расчетным значением частот Fсеп.расч. ±Δf и сравнения виброскорости с расчетным значением 5; блок сравнения текущего значения с граничным уровнем виброскоростей сепаратора 9; блок идентификации частоты вращения РНД в спектре измеренного вибропроцесса с расчетным значением частот Fpнд расч. ±Δf и сравнения виброскорости с расчетным значением 6; блок расчета идентифицированной частоты вращения РНД в испытательном режиме 7 по алгоритму:
Fрасч.рнд=(Fф.сеп-Крвд*Fф.рвд)/Крнд, (2)
связанный с первыми выходами блоков сравнения РВД 4 и сепаратора 5 по идентифицируемым частотам, соответственно, Fф.рвд и Fф.сеп,. При этом выход вибродатчика 1 связан с последовательно соединенным вычислителем спектра ВСВ 2, блоком ИЧВ ротора РВД в спектре измеренного вибропроцесса с расчетным значением частот Fрвд расч.±Δf, и сравнения виброскорости (Vф.рвд≥Vрасч.) с расчетным значением 4, подключенный вторым выходом по превышению расчетной виброскорости к переключателю (Р1), соединяющем выход блока ВСВ 2 с входом блока ИЧВ сепаратора межроторного подшипника в спектре измеренного вибропроцесса с расчетным значением частот Fcen. расч.±Δf и сравнения виброскорости с расчетным значением (Vф.сеп≥Vрасч) 5, второй выход которого по превышению расчетной виброскорости соединен с переключателем (Р2), соединяющем выход ВСВ 2 с входом блока идентификации частоты вращения РНД в спектре измеренного вибропроцесса с расчетным идентифицированным значением частот Fpнд расч. ±Δf Гц и сравнения виброскорости с расчетным значением (Vф.рнд≥Vрасч) 6. Выход блока ИЧВ ротора РНД 6 по превышению виброскорости подключен к переключателю (Р3), соединяющем блок ИЧВ сепаратора межроторного подшипника 5 третьим выходом по фактической виброскорости сепаратора с входом блока сравнения фактической виброскорости сепаратора с граничным уровнем виброскорости сепаратора, (Vф. сеп≥Vcen. доп) 9, выход которого соединен с переключателем (Р4), соединяющем бортовой источник питания с индикатором: «OВ МРП» 10. ВСВ соединен с флеш-памятью 8, для регистрации вычисленных значений спектра.
На фиг.2 показаны электронное устройство 12, подключенное через выключатель кнопочный нажимной «Контроль» в кабине летчика 11 к бортовому источнику питания 27 V. Выход блока 9 электронного устройства 12 соединен с нормально разомкнутым переключателем (Р4), соединяющем бортовой источник питания с индикатором 10: «OВ МРП».
Устройство работает следующим образом.
Для прогнозирования технического состояния межроторного подшипника авиационного газотурбинного двигателя в эксплуатации, на корпусе двигателя устанавливается устройство, выполненное малогабаритным и позволяющее предупредить о наличии дефекта в межроторном подшипнике в реальном масштабе времени при эксплуатации.
Устройство для прогнозирования технического состояния межроторного подшипника авиационного газотурбинного двигателя находится в рабочем состоянии в период включения и удерживания кнопки выключателя нажимного «Контроль» в кабине летчика на заданной частоте вращения ротора РВД 11.
Летчик перед нажатием кнопки 11, должен установить заданную частоту вращения ротора высокого давления точно по указателю. Установка заданной частоты вращения РВД является признаком (командой) для начала работы устройства.
Выключатель кнопочный нажимной 11 включается на период времени 5… 10 секунд перед взлетом самолета или после посадки, а также при проверках вибрационного состояния двигателя при наземных работах.
Выбирают режим работы двигателя, при котором отсутствует совпадение диагностической частоты, например, сепаратора с комбинационными и агрегатными частотами, для чего предварительно в блок 3 вводят расчетные значения частот вращения РВД, сепаратора в заданном диапазоне частот и виброскоростей, граничное значение виброскорости для сепаратора 5, для РНД - виброскорости, а также коэффициенты (Крвд, Крнд) для алгоритма блока 7. После установки заданной частоты вращения ротора высокого давления точно по указателю производится нажатие кнопки «Контроль» 11 в течение 5…10 секунд. При этом проводится обработка вибропроцесса с вибродатчика 1, преобразование сигнала с последующим вычислением спектра вибропроцесса в блоке 2 (ВСВ) и сохранением его в блоке 8. Затем в блоке 4 идентифицируется частота вращения ротора высокого давления (РВД) в спектре измеренного вибропроцесса с расчетными значениями частот Fрвд рас.±Δf и производится сравнение виброскорости (Vфакт.рвд.≥Vрасч. рвд). Если Vфакт.рвд≥Vрасч.рвд, то переключатель (Р1) подключает выход ВСВ 2 с входом блока 5 для проведения идентификации частоты вращения сепаратора межроторного подшипника с расчетным значением Fcen.расч.±Δf. Если Vфакт.сеп.≥Vрасч сепаратора, то переключатель (Р2) подключает выход ВСВ 2 с входом блока 6, в котором идентифицируется частота вращения РНД Рфакт.рнд в спектре измеренного вибропроцесса по расчетному значению частоты Fрасч.рнд±Δf, определенного в блоке 7 по следующему алгоритму (2):
Fрасч. рнд=(Fф. сеп-Крвд*Fф. рвд)/Крнд, (2)
и проводится сравнение в спектре измеренного вибропроцесса величины виброскорости (Vфакт.рнд≥Vрасч.рнд).
После определения фактической частоты вращения РНД и виброскорости Vpнд факт. из спектра вибропроцесса ВСВ 2, при условии - Vpнд факт.≥Vpнд расч, переключатель (Р3) подключает выход по виброскорости -Vфак.сеп. из блока 5 с входом блока 9, в котором сравнивается уровень вибраций на частоте вращения сепаратора межроторного подшипника блока 5 с допустимым значением вибрации сепаратора, поступающего из блока 3 (Vфак.сеп≥Vсеп.доп.). При превышении заданного граничного уровня вибраций Vcen-доп на частоте вращения сепаратора переключатель (Р4) соединяет бортовой источник питания с индикатором: «OВ МРП» 10.
Кроме того, с устройства можно переписать зарегистрированную информацию в блоке 8 по измерениям как при нормальной работе межроторного подшипника, см. фиг.3, так и при обнаружении дефекта в межроторном подшипнике, см. фиг.4, где показаны спектрограммы вибропроцесса двигателя на частотах вращения Fрвд-14, Fcen-15, Fрнд-16.
При проверке двигателя выдается сигнализация о превышении предельного значения уровня вибрации на частоте вращения сепаратора межроторного подшипника, что свидетельствует о появлении дефекта в межроторном подшипнике, при котором нужно уйти на пониженный режим работы двигателя с последующим осмотром.
Таким образом, предлагаемое устройство идентифицирует составляющие в спектре вибропроцесса, без использования штатных каналов измерения частот вращения роторов; выявляет заданные диагностические частоты элементов межроторного подшипника, например, частоту вращения сепаратора при эксплуатации двигателя посредством измерения и расчетов с учетом геометрии каждого типа подшипника и путем сравнения измеренных виброскоростей с допустимыми значениями на диагностической частоте межроторного подшипника, выдает сигнализацию о техническом состоянии межроторного подшипника перед каждым полетом ЛА.