Способ диагностики технического состояния газотурбинного двигателя
DIAGNOSTIC METHOD FOR TECHNICAL STATE OF GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к неразрушающему контролю технического состояния газотурбинных двигателей, а именно, к способам технической диагностики дефектов, влияющих на работоспособность узлов газотурбинного двигателя при его испытаниях и эксплуатации, и может найти применение в двигателестроении для выявления наличия дефектов.
Наиболее близким к предложенному, является способ диагностики технического состояния газотурбинного двигателя, включающий выбор параметров, подлежащих диагностическому контролю, определение рабочих значений контролируемых параметров на двигателе в заведомо исправном состоянии, измерение с помощью датчиков параметров с выбранной частотой в пределах эталонных промежутков времени на диагностируемом газотурбинном двигателе, определение начала значимого отклонения измеренных параметров от их рабочих значений при появлении какого-либо дефекта.
7
/RU №2445598 МПК G01M 15/14. Опубл.: 20.03.2012/.
Недостатком известного способа является то, что сравнения измеренных и рабочих значений контролируемых параметров на двигателе, характеризующих среду и условия работы его узлов, дают лишь обобщенную оценку изменений, происходящих в узлах двигателя, в частности, дефектов влияющих на работоспособность подшипниковых опор в процессе эксплуатации, и недостаточно точно указывают конкретную проблему, которая стала причиной ухудшения технического состояния двигателя, что приводит к несвоевременной запоздалой или, наоборот, преждевременной остановке двигателя.
Ожидаемым техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое решение, является расширение технологических возможностей способа по определению дефектов, влияющих на работоспособность узлов газотурбинного двигателя процессе его эксплуатации, выявление неисправностей на ранних стадиях и возможность отслеживания технического состояния двигателя в динамике.
Технический результат достигается тем, что в известном способе диагностики технического состояния газотурбинного двигателя, заключающемся в том, что выбирают параметры, подлежащие диагностическому контролю, текущее значение которых регистрируют на диагностируемом газотурбинном двигателе, согласно предложению для диагностики газотурбинного двигателя по его любому узлу для последнего выбирают по меньшей мере два параметра, характеризующие его работоспособность и экспериментально определяют их предельно допустимые значения отклонений для данного типа двигателя, после чего в ходе работы двигателя в текущий момент времени вычисляют среднее значение для каждого выбранного параметра за предшествующий короткий и длинный временной периоды, при отношении короткого временного периода к длинному в интервале 0,002-0,1, и определяют их разность, далее вычисляют отношение полученных разностей к соответствующим предельно допустимым значениям отклонений параметров, а затем суммируют их, и если полученная сумма отношений превышает единицу, то делают вывод о неисправности диагностируемого двигателя.
Для диагностики газотурбинного двигателя по узлу компрессора низкого давления в качестве параметров, характеризующих его работоспособность, выбирают разницу между значением температуры слива масла из опоры турбины и значением температуры масла на входе в двигатель за фильтром, а также значение перепада давления масла на фильтре в магистрали общей откачки масла из двигателя и значение вибрации промежуточного корпуса газогенератора. Газотурбинный двигатель подвергают диагностике не менее 1 раза в мин.
Особенностью предложенного решения является то, что измерение с помощью датчиков параметров с выбранной частотой производят на коротком и длинном промежутках времени, при отношении продолжительности короткого измерительного промежутка к времени длинного равном 0,002-0,1. Конкретные значения отношения продолжительностей коротких и длинных участков выбираются экспериментально в зависимости от точности определения момента возникновения неисправности.
Диагностика двигателя с частотой не менее 1 раза в мин позволяет своевременно обнаруживать дефекты узлов двигателя.
Метод может использоваться для контроля разных узлов двигателя. Для диагностики каждого узла выбирается как минимум два параметра с одной стороны для снижения влияния на результат работы недостоверности измерений любого параметра, а с другой - для возможности обнаружения отказа на более ранней стадии.
В качестве примера продемонстрируем работу метода для контроля передней опоры компрессора низкого давления (роликовый подшипник, насос откачки масла).
Для контроля передней опоры компрессора низкого давления (роликовый подшипник, насос откачки масла) используют следующие параметры:
М
• ΔТ=(Т606-Т607)°С, где Т606 температура слива масла из опоры турбины, Т607 - температура масла на входе в двигатель за фильтром;
2
• dРф2 - перепад давления масла на фильтре (Ф13) в магистрали общей откачки масла из двигателя, кгс/см;
• В1 - вибрация промежуточного корпуса газогенератора (гориз.), мм/с.
Для других узлов возможны другие комбинации параметров.
Например, для диагностики опоры компрессора низкого давления, компрессора высокого давления:
М
• ΔТ=(Т638 - Т607)°С, где Т638 температура слива масла из передней опоры КВД, Т607 - температура масла на входе в двигатель за фильтром;
2
• dРф2 - перепад давления масла на фильтре (Ф13) в магистрали общей откачки масла из двигателя, кгс/см;
• В1 - вибрация промежуточного корпуса газогенератора (гориз.), мм/с;
• В2 - вибрация корпуса силовой турбины (гориз.), мм/с;
2
• Pc1 - давление суфлирования опор КНД и КВД перед центробежным суфлером газогенератора, кгс/см;
2
• Р615 - давление масла в магистрали общей откачки, кгс/см.
Для диагностики опоры турбины газогенератора:
М
• ΔТ=(Т606-Т607)°С, где Т606 температура слива масла из опоры турбины, Т607 - температура масла на входе в двигатель за фильтром;
2
• dРф2 - перепад давления масла на фильтре (Ф13) в магистрали общей откачки масла из двигателя, кгс/см;
• В1 - вибрация промежуточного корпуса газогенератора (гориз.), мм/с;
• В2 - вибрация корпуса силовой турбины (гориз.), мм/с;
2
• Рс2 - давление суфлирования опоры турбины перед центробежным суфлером ГГ, кгс/см;
2
• Р615 - давление масла в магистрали общей откачки, кгс/см.
Для диагностики передней опоры силовой турбины:
М
• ΔТ=(Т1002-Т607)°С, где Т1002 - температура слива масла из передней опоры СТ, °С, Т607 - температура масла на входе в двигатель за фильтром;
2
• dРф2 - перепад давления масла на фильтре (Ф13) в магистрали общей откачки масла из двигателя, кгс/см;
• В1 - вибрация промежуточного корпуса газогенератора (гориз.), мм/с;
• В2 - вибрация корпуса силовой турбины (гориз.), мм/с;
2
• Рс3 - давление суфлирования опор СТ, кгс/см;
2
• Р615 - давление масла в магистрали общей откачки, кгс/см.
Для диагностики задней опоры силовой турбины:
М
• ΔТ=(Т1003-Т607)°С, где температура слива масла из задней опоры СТ, °С, Т607 - температура масла на входе в двигатель за фильтром;
2
• dРф2 - перепад давления масла на фильтре (Ф13) в магистрали общей откачки масла из двигателя, кгс/см;
• В1 - вибрация промежуточного корпуса газогенератора (гориз.), мм/с;
• В2 - вибрация корпуса силовой турбины (гориз.), мм/с;
2
• Рс3 - давление суфлирования опор СТ, кгс/см;
2
• Р615 - давление масла в магистрали общей откачки, кгс/см.
Для каждого из параметров непрерывно, все время работы изделия вычисляется два усредненных значения за «короткий» (например 6 минут для двигателя АЛ31СТ) и «длинный» (например 24 ч) периоды времени.
При этом вычисленное среднее за «длинный» период отражает текущее состояние двигателя с учетом его износа и внешних факторов (температура, давление) и является базой для обнаружения отклонения «быстрого» среднего при произошедшем отказе.
Вычисляется рассогласование между двумя усредненными значениями.
Появление разности между «быстрым» и «коротким» означает изменение состояния узла характерное для отказа. Вычисляется отношение рассогласования к пороговому значению.
Отношение текущего рассогласования к пороговому значению, которое было ранее выбрано как соответствующее отказу, позволяет определить, достигнут ли уровень отказного рассогласования по текущему параметру.
Отношения рассогласований для каждого из параметров суммируются. При превышении суммой значения 1 формируется предупредительное сообщение о неисправности узла.
Суммирование отношений рассогласований всех текущих параметров позволяет по сумме сигналов сформировать сигнал отказа раньше, чем по одному из параметров. Значение 1 в сумме параметров означает превышение или одним из параметров назначенного допустимого уровня или то, что несколько параметров одновременно существенно изменились, что также является признаком отказа.
М
Мбф
бф
бф
Ммф
мф
мф
На графиках (фиг. 1) изображено изменение во времени параметров контроля (пунктир) ΔТ, dРф2, В1 при возникновении дефекта, а также параметров контроля усредненных за короткий период (штрих два пунктир) ΔТ, dРф2, В1, и за длинный период (штрих пунктир) ΔТ, dРф2, В1.
На оси параметров для демонстрации эффективности способа нанесены предельные значения для формирования сигнала аварийного останова (АО) при использовании обычного контроля по допуску:
М
ΔТ_АО=70- предельный перепад температуры масла для формирования АО
dРф2_АО=0,6 - предельный перепад давления масла на фильтре для формирования АО
В1_АО=70 - предельный уровень вибрации для формирования АО
На оси времени:
0
t - момент фактического возникновения дефекта
АО
t - момент формирования АО при использовании предлагаемого метода контроля
1T
М
t - момент формирования АО при использовании предлагаемого метода контроля с использованием только одного параметра ΔТ
2T
М
t - момент формирования АО при использовании обычного допускового контроля ΔТ
1P
t - момент формирования АО при использовании предлагаемого метода контроля с использованием только одного параметра dРф2
2P
t - момент формирования АО при использовании обычного допускового контроля dРф2
1B
t - момент формирования АО при использовании предлагаемого метода контроля с использованием только одного параметра В1
2B
t - момент формирования АО при использовании обычного допускового контроля В1.
До возникновения дефекта в узле, для изделия, работающего на установившемся режиме, параметры контроля изменяются во времени незначительно, под воздействием износа, внутри суточных циклов изменения температуры и т.д. и к моменту возникновения дефекта значения параметров средние за короткий и длинный циклы фактически равны текущему значению параметра.
При возникновении дефекта в узле (например, снижение подачи масла) начинается плавное увеличение значений всех 3-х параметров, продолжающееся все время развития дефекта, средние значения за выбранные периоды также начинают расти, при этом скорость роста значения за «короткий» период и скорость роста значения за «длинный» отличаются обратно пропорционально длительностям периодов. В начальной стадии проявления дефекта образуется разница между значениями «короткого» среднего и «длинного» среднего.
2
Для принятия решения об остановке двигателя по отклонению одного из параметров выбрано предельное значение рассогласования для каждого из параметров, для МахТ=8°С, для МахР=0,08 кгс/см, MaxV 6мм/с.
Предположим, что к моменту возникновения дефекта фактические значения:
М
ΔТ=50°С,
2
dРф2=0,3кгс/см,
В1=30 мм/с,
средние значения параметров за 24 часа:
Мбм
ΔТ=50°С,
мф
2
dРф2=0,3 кгс/см,
мф
В1=30 мм/с,
средние значения параметров за 6 минут:
Мбф
ΔТ=50°С,
бф
2
dРф2=0,3 кгс/см,
бф
В1=30 мм/с,
при отказе:
М
ΔТ растет со скоростью 1°С/мин,
2бф
2
dРф растет со скоростью 0,01 кгс/см,
В1 растет со скоростью 1(мм/с)/мин.
Установленных порогов обычного допускового контроля параметры достигнут через:
2T
t=(70-50)/1=20 мин
2P
t=(0,6-0,3)/0,01=30 мин
2B
t=(70-30)/1=40 мин.
В таблице 1 приведены значения фильтров, полученные в переходном процессе.
Время формирования сигнала неисправности по одному из параметров:
1T
t=11 мин
1P
t=11 мин
1B
t=9 мин.
Даже при использовании предлагаемого метода с одним параметром графики демонстрируют преимущество в скорости формирования аварийного останова (9 мин) относительно обычного допускового контроля (20 мин).
Время формирования сигнала АО по суммарному критерию (1,03)
1T
t=5 мин.
При использовании нескольких параметров одновременно, время обнаружения отказа существенно меньше, чем при использовании предлагаемого способа только с одним параметром и чем при использовании обычного допускового контроля.
Таким образом, предложенный способ является более достоверным и точным.
Применение предложенного способа по определению дефектов, влияющих на работоспособность узлов газотурбинного двигателя в процессе его эксплуатации, расширяет технологические возможности по выявлению неисправностей на ранних стадиях их возникновения и позволяет отслеживать техническое состояние двигателя в динамике.