Устройство прогнозирования остаточного ресурса подшипника газотурбинного двигателя

Актуальность создания данного устройства обусловлена тем, что зачастую в составе газотурбинных двигателей средств электроснабжения вооружения, военной и специальной техники отсутствует штатная система мониторинга в реальном времени его технического состояния.
Предлагаемое устройство позволит в реальном времени непрерывно отслеживать динамику износа подшипника ступени турбокомпрессора, в автоматическом режиме выдавать заключение о текущем техническом состоянии ГТД и оценивать его оставшийся ресурс по состоянию подшипника.
По мере увеличения срока наработки подшипника качения в газотурбинном двигателе, сопровождающегося закономерным увеличением текущего значения коэффициента износа подшипника начинается переход равномерного (гладкого) износа в неравномерный износ, то есть, износ элементов конструкции подшипника, характеризующийся появлением первых микродеформаций (микротрещин, раковин) тел качения и поверхностей колец.
Этот процесс уже характеризуется непрерывным ростом амплитуд высокочастотных гармоник вибросигналов. Как следствие, рост этих амплитуд закономерным образом увеличивает высокочастотные ударные виброускорения и дополнительно повышает интенсивность неравномерного износа элементов конструкции подшипника качения.
В процессе дальнейшей работы подшипника качения в компрессоре газотурбинного двигателя, сопровождающегося дальнейшим увеличением значения коэффициента относительного износа подшипника качения, неравномерный износ переходит в эрозионный, сопровождающийся появлением и дальнейшим углублением царапин, микросколов, микротрещин, выбоин, каверн на рабочих поверхностях тел качения и поверхностей колец подшипника качения. При этом высокочастотные ударные виброускорения резко возрастают.
В ходе дальнейшей эксплуатации подшипник качения переходит в режим последней фазы работоспособности, при котором происходит сначала существенное нарушение геометрии основных конструктивных элементов, а затем и их макроразрушение: сколы и срезы шариков, раскалывание колец и разрушение сепараторов.
Известно устройство определения технического состояния энергетического объекта, включающее датчики параметров энергетического объекта, блок формирования показателя, по которому судят о техническом состоянии энергетического объекта, блок сравнения и задатчик эталонных значений тестируемых параметров энергетического объекта, сумматором, переключателем, а также блок хранения и выдачи данных технического состояния энергетического объекта, связанным с выходом блока сравнения, входы блока сравнения связаны с выходами задатчика и переключателя, входы которого связаны с выходами первого и второго блоков формирования показателя, входы первого из которых связаны с датчиками, а второго - с выходом сумматора, а входы сумматора связаны с датчиками. [Патент на полезную модель 127192 от 18.10.2012, МПК G01M 15/14. Устройство определения технического состояния энергетического объекта / Добрянский Г.В., Мельникова Н.С., Короткое В.Б.].
Известна система вибродиагностики газотурбинного двигателя включающая датчики частоты вращения ротора и вибрации ротора двигателя, блок формирования эталонной виброхарактеристики в зависимости от частоты вращения ротора, блок формирования полетной виброхарактеристики, связанный с датчиками, первый блок сравнения, задатчик порогового значения, блок сигнализации, блок формирования базовой виброхарактеристики, блок формирования локальных эксплуатационных виброхарактеристик, второй, третий и четвертый блоки сравнения, счетчик и задатчик числа полетов, вход блока формирования локальных эксплуатационных виброхарактеристик связан с датчиками, а выход - с первым входом первого блока сравнения, со вторым входом которого связан выход блока формирования базовой виброхарактеристики, входы которого соединены с датчиками, выход первого блока сравнения связан с первым входом второго блока сравнения, со вторым входом которого связан задатчик порогового значения, выход второго элемента сравнения связан через ключ с блоком формирования эталонной характеристики вибросигнала, выход блока формирования полетной виброхарактеристики связан с первым входом третьего блока сравнения, со вторым входом которого связан выход блока формирования эталонной виброхарактеристики вибросигнала, а выход третьего блока сравнения связан с блоком сигнализации, при этом счетчик полетов и задатчик полетов связаны соответственно с первым и вторым входами четвертого блока сравнения, выход которого связан с ключом. [Патент на полезную модель 121073 от 10.10.2012, МПК G01M 15/14. Система вибродиагностики газотурбинного двигателя / Добрянский Г.В., Мельникова Н.С. и др.].
Недостатком данных устройств является отсутствие возможности, позволяющей в реальном времени непрерывно отслеживать динамику износа подшипника ступени турбокомпрессора и в автоматическом режиме выдавать заключение о текущем техническом состоянии двигателя.
Известно устройство контроля вибрации, содержащее размещенные в электронном блоке первый и второй информационно-измерительные каналы, вход каждого из которых предназначен для приема сигнала о вибросостоянии соответствующего двигателя, а каждый из двух выходов предназначен для выдачи информации во взаимодействующие системы по проводной и информационной линиям связи, отличающееся тем, что в его состав дополнительно введены расположенные в электронном блоке первая и вторая кросс-платы, содержащие, каждая, выходные линии связи соответствующего ей информационно-измерительного канала, а оба информационно-измерительных канала смонтированы на единой, общей для них, печатной плате и размещены в ее противолежащих участках, причем обе кросс-платы расположены перпендикулярно друг другу и перпендикулярно единой печатной плате. [Патент на полезную модель 166576 от 10.12.2016, МПК G01M 15/14. Устройство контроля вибрации / Новиков Ю.И., Столяров Ю.Г., Котенева О.Е.].
Недостатком существующего устройства является большой объем ручных измерений величины вибрации на исследуемом подшипнике.
Задачей полезной модели и ее техническим результатом является создание устройства для прогнозирования остаточного ресурса подшипника, позволяющего в реальном времени непрерывно отслеживать динамику износа подшипника ступени турбокомпрессора и в автоматическом режиме выдавать заключение о текущем техническом состоянии ГТД и оценивать его оставшийся ресурс.
Поставленная цель достигается устройством прогнозирования остаточного ресурса подшипника газотурбинного двигателя, включающее блок первичной обработки экспериментальных данных, блок статистической обработки экспериментальных данных, блок нейросетевой обработки статистических данных, блок принятия решений, библиотеку эталонных значений виброхарактеристик подшипника качения в зависимости от срока наработки газотурбинного двигателя, систему цифровой индикации о техническом состоянии двигателя, и выполненное с возможностью соединения и принятия сигналов от датчиков виброускорения, размещаемых в районе участка корпуса центробежного компрессора, наиболее близко расположенного в верхней плоскости к переднему подшипнику ступени компрессора и от устройства, осуществляющего контроль за техническим состоянием системы смазки и суфлирования газотурбинного двигателя.
Указанные отличительные признаки являются существенными для достижения цели и получения технического результата предполагаемой полезной модели.
Блок первичной обработки экспериментальных данных осуществляет прием, запись и долговременного хранения экспериментальных данных о текущем значении виброускорения на корпусе подшипника вала газотурбинного двигателя, а также их спектрального преобразования.
Блок статистической обработки экспериментальных данных предназначен для выполнения статистического анализа полученных экспериментальных данных о текущем значении виброускорения на корпусе подшипника вала газотурбинного двигателя путем обработки полученных спектрограмм вибросигнала и вычисления средней амплитуды огибающей сигнала виброускорения.
Блок нейросетевой обработки статистических данных предназначен для анализа результатов статистической обработки экспериментальных данных о текущем значении виброускорения на корпусе подшипника вала газотурбинного двигателя и оценке его остаточного ресурса.
Блок принятия решений выполняет функцию экспертной системы по оценке целесообразности дальнейшей эксплуатации газотурбинного двигателя либо его аварийной остановке.
Библиотека эталонных значений виброхарактеристик подшипника качения в зависимости от срока наработки в газотурбинном двигателе предназначена для хранения стандартных виброхарактеристик подшипников вала ротора двигателя и применяемых при работе блока нейросетевой обработки статистических данных.
Система цифровой индикации о техническом состоянии газотурбинного двигателя, блок сопряжения стружкоанализатора и стружкоанализатор относятся к вспомогательным системам и выполняют функции по дополнительному контролю за техническим состоянием системы смазки и суфлирования газотурбинного двигателя и взаимодействию с блоком принятия решения, а также для наглядной аудиовизуальной индикации технического состояния контролируемого газотурбинного двигателя.
Осуществление технического результата достигается устройством для прогнозирования остаточного ресурса подшипника газотурбинного двигателя (Фиг. 1), включающим в себя корпус центробежного компрессора (1), наиболее близко расположенный в верхней плоскости к переднему подшипнику ступени компрессора, блок первичной обработки экспериментальных данных (2), блок статистической обработки экспериментальных данных (3), блок нейросетевой обработки статистических данных (4), блок принятия решений (5), библиотеку эталонных значений виброхарактеристик (6) подшипника качения в зависимости от срока наработки газотурбинного двигателя, систему цифровой индикации (7) о техническом состоянии двигателя.