СПОСОБ ВИБРАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВНЕЗАПНОГО ОТКАЗА ДВИГАТЕЛЯ И НОСИТЕЛЬ
VIBRATION DIAGNOSTICS AND FORECASTING METHOD OF SUDDEN FAILURE OF ENGINE, AND CARRIER

Изобретение относится к испытаниям двигателей, а именно касается способа и носителя для осуществления вибрационной диагностики и прогнозирования внезапного отказа вследствие разрушения межроторного подшипника двигателя, содержащего по меньшей мере два ротора и один межроторный подшипник (МРП).
Известен способ вибрационной диагностики межроторных подшипников двухвальных газотурбинных двигателей (ГТД) с помощью датчика вибрации, установленного на корпусе двигателя, вибросигнал датчика вибрации усиливают и преобразуют в амплитудные значения и среднеквадратичные значения, сравнивают уровень текущего во времени характеристического параметра с его допустимым (пороговым) уровнем. В качестве характеристического параметра используют соотношение амплитудного и среднеквадратичного значений вибросигнала, а в качестве допустимого уровня используют настроечные значения, устанавливаемые по тарировочной зависимости уровня характеристического параметра от соотношения амплитудных значений сигнала (патент РФ на полезную модель №87798, опубл. 2009).
Известен способ диагностики технического состояния деталей, узлов и приводных агрегатов газотурбинного двигателя (ГТД), при котором измеренные вибросигналы обрабатывают для получения информации о техническом состоянии деталей, узлов и приводных агрегатов ГТД. В качестве средства измерения вибросигналов используют лазерный вибропреобразователь с измерительной головкой, объективом и электронным блоком, а в качестве средства обработки вибросигналов - регистратор-анализатор с возможностью цифровой обработки вибросигналов (патент РФ на полезную модель №70005, опубл. 2008).
Измерение вибрации и диагностика технического состояния узлов и агрегатов ГТД выполнялось в процессе запуска двигателя на малом газу. Степень развития дефектов деталей, узлов и приводных агрегатов оценивалась по росту таких относительных параметров, как суммарный коэффициент модуляции в прямом и преобразованном спектрами вибрации, а также учитывают характер изменения уровней виброскрости диагностируемых агрегатов на частотах вращения их валов и высших гармониках.
В известных технических решениях при запусках двигателя на заводских стендах диагностика проводилась для выявления зарождающихся и развивающихся дефектов износа деталей, узлов и приводных агрегатов ГТД.
Известен способ диагностики состояния двигателей, при котором предварительно подготовленную пробу вводят в спектральный источник света, регистрируют оптические сигналы излучения по двум или более измерительным каналам, преобразуют оптические сигналы в электрические, измеряют их и определяют содержание элементов, находящихся в пробе отдельно в виде металлических частиц и в виде раствора. Полученные результаты используют для оценки состояния двигателя и его узлов. При осуществлении способа измеряют также количество частиц износа, строят корреляционную матрицу, выделяют главную компоненту, проводят факторный анализ и рассчитывают коэффициенты, позволяющие отделить диагностическую информацию от шумовой (заявка РФ №2006119726, опуб. 2007).
Известные технические решения, направленные на прогнозирование внезапного отказа двигателя, не обнаружены.
Газотурбинные и/или турбореактивные двигатели, содержащие по меньшей мере два ротора и один межроторный подшипник (МРП), имеют статистику внезапных отказов двигателей вследствие разрушения МРП. При этом все известные способы диагностики МРП не выявляют его дефекты, т.е. МРП признается работоспособным. Разрушение может быть вызвано дополнительными механическими нагрузками, возникающими, в частности, из-за перекосов роторов при сборке, и ранее не прогнозируемыми. Такие разрушения носят аварийный характер.
В основу изобретения положена задача повышения надежности эксплуатации двигателя, содержащего, по меньшей мере, два ротора и один межроторный подшипник (МРП), путем прогнозирования внезапных отказов.
Техническим результатом является снижение риска внезапного отказа двигателя вследствие спрогнозированного выхода из строя МРП в течение установленного ресурса.
Поставленная задача решается тем, что способ вибрационной диагностики и прогнозирования внезапного отказа двигателя, содержащего по меньшей мере два ротора и один межроторный подшипник (МРП), включает этапы, при которых вибросигналы датчиков виброскорости и/или виброускорения, установленных в точках корпуса двигателя, информативных относительно состояния МРП, преобразуют в цифровые информационные вибросигналы и вычисляют значения, показывающие корреляцию информационных вибросигналов и пороговых значений на диагностических частотах, и обнаруживают, является ли значение, показывающее корреляцию, больше порогового значения, прогнозирующую разрушение МРП, при этом при вычислении осуществляют преобразование вибросигналов в спектр, например, преобразованием Фурье, спектральным анализом выделяют в нем максимальные значения на диагностических частотах в виде комбинационных частот вращения роторов и/или кратных частотам вращения роторов, каждое из которых соответствует одному из множества по отношению к пороговым значениям, и корректируют указанные максимальные значения на погрешность вибродатчиков, преобразуя в значения, показывающие корреляцию, а на этапе обнаружения осуществляют прогноз разрушения МРП в течение установленного ресурса, если по меньшей мере, одно из упомянутых значений корреляции больше порогового значения.
1
2
2
1
2
1
2
1
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
При вибрационной диагностике и прогнозировании внезапного отказа вследствие разрушения межроторного подшипника турбореактивного двигателя, содержащего два ротора и один межроторный подшипник (МРП), в качестве комбинационных частот используют f+f, 2f+f, f-f, 2f-f, 2f-f, 2f+f, в качестве кратных - 2f, 2f, 3f, 3f, 4f, 4f, 5f, 5f, 6f, 6f, где f - частота вращения ротора низкого давления, f - частота вращения ротора высокого давления, размещают пять датчиков виброскорости в точках корпуса турбореактивного двигателя, информативных относительно состояния МРП, при этом одну группу в два датчика размещают на корпусе ВНА компрессора низкого давления, другую группу в три датчика - на промежуточном корпусе компрессора, причем каждая группа расположена в одном поперечном сечении корпусов в горизонтальном и вертикальном направлениях перпендикулярно оси двигателя.
Целесообразно, чтобы пороговые значения были установлены предварительно статистическим анализом вибросигналов двигателей с работоспособными и дефектными МРП на диагностических частотах.
Максимальные значения на диагностических частотах целесообразно скорректировать на погрешность датчика вибрации по амплитудно-частотной характеристике.
Кроме того, целесообразно, чтобы были преобразованы в информационные и вычислены значения вибросигналов датчиков виброскорости и/или виброускорения при прохождении двигателем всех режимов при частоте вращения роторов от 0 до максимальных значений.
В случае, если хотя бы одно из скоррелированных значений больше собственного порогового значения, прогнозируют внезапный отказ двигателя вследствие разрушения межроторного подшипника в течение установленного ресурса.
Поставленная задача решается также тем, что для осуществления способа вибрационной диагностики и прогнозирования внезапного отказа двигателя используется носитель, считываемый компьютером или электронно-вычислительным блоком, имеющий хранящиеся на нем команды, которые при их выполнении вызывают осуществление электронной системой преобразование цифровых информационных сигналов датчиков вибрации в спектр Фурье, выбор диагностических частот в виде комбинационных частот вращения роторов и/или кратных частотам вращения роторов, фильтрацию информационных вибросигналов и выделение максимальных значений на диагностических частотах, коррекцию выделенных максимальных значений, сравнение скорректированных максимальных значений с пороговыми значениями и выбор значений больше пороговых. Целесообразно, чтобы команды, определяющие коррекцию максимальных значений, корректировали максимальные значения на погрешность датчика вибрации следующим образом: выбранное максимальное значение на комбинационной или кратной частоте умножают на величину, обратную чувствительности амплитудно-частотной характеристики собственно датчика вибрации на той же частоте.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием и фигурами, где:
Фиг.1 - иллюстрирует схему размещения датчиков виброскорости и/или виброускорения в определенных местах корпуса двухротороного турбореактивного двигателя с МРП, представляющих информативный интерес о состоянии МРП.
Фиг.2 - вид амплитудно-частотной характеристики собственно датчика вибрации.
Фиг.3 - вид информационного сигнала с амлитудно-частотной характеристикой работающего двигателя, иллюстрирующего обнаружение на диагностической частоте значения ниже порогового.
Фиг.4 - вид информационного сигнала с амлитудно-частотной характеристикой работающего двигателя, иллюстрирующего обнаружение на диагностической частоте значения выше порогового.
При осуществлении способа вибрационной диагностики и прогнозирования внезапного отказа двигателя, содержащего по меньшей мере два ротора и один межроторный подшипник (МРП), согласно изобретению вибросигналы датчиков виброскорости и/или виброускорения, установленных в точках корпуса двигателя, информативных относительно состояния МРП, преобразуют в цифровые информационные вибросигналы.
Указанными точками могут служить точки в сечении корпусов роторов, в частности роторов высокого и/или низкого давления и иные, определяемые для каждого типа двигателя.
Вычисляют значения, показывающие корреляцию информационных вибросигналов и пороговых значений на диагностических частотах в виде комбинационных частот вращения роторов и/или кратных частотам вращения роторов.
2
1
1
2
В качестве комбинационных частот могут быть использованы, в частности частоты mf±kf в качестве кратных - kf; mf, где к=1…10, m=1…10.
Пороговые значения устанавливают предварительно статистическим анализом вибросигналов двигателей с работоспособными и дефектными МРП на диагностических частотах.
При вычислении осуществляют преобразование вибросигналов в спектр, например, преобразованием Фурье, и спектральным анализом выделяют в нем максимальные значения на диагностических частотах. Каждому максимальному значению информационного вибросигнала соответствует одно из множества по отношению к пороговым значениям.
Указанные максимальные значения корректируют на погрешность вибродатчиков. Полученные значения показывают корреляцию с пороговыми значениями. Коррекция может быть выполнена, например, по амплитудно-частотной характеристике датчика данного вибросигнала.
Затем осуществляют обнаружение, является ли, по меньшей мере, одно из упомянутых значений корреляции больше порогового значения.
В случае, если хотя бы одно из скоррелированных значений больше своего порогового значения, прогнозируют внезапный отказ двигателя вследствие разрушения межроторного подшипника в течение установленного ресурса.
Для осуществления способа вновь изготовленный или отремонтированный двигатель, содержащий, по меньшей мере, два ротора и один межроторный подшипник (МРП), устанавливают на испытательный стенд для проведения предъявительских или приемосдаточных испытаний перед отправкой в эксплуатацию.
Способ может быть осуществлен и на борту летательного аппарата, находящегося в эксплуатации без стендовой установки.
Аналоговые сигналы датчиков вибрации и датчиков частот вращения роторов через плату аналогово-цифрового преобразования (АЦП) выводят на электронно-вычислительный блок или компьютер, где посредством носителя, считываемого электронным блоком или компьютером, проводят соответствующие вычисления и обнаружения. Носитель содержит хранящиеся на нем команды, которые при их выполнении вызывают осуществление электронной системой преобразование цифровых информационных сигналов датчиков вибрации в спектр Фурье, выбор диагностических частот в виде комбинационных частот вращения роторов и/или кратных частотам вращения роторов, фильтрацию информационных вибросигналов и выделение максимальных значений на диагностических частотах, коррекцию выделенных максимальных значений, сравнение скорректированных максимальных значений с пороговыми значениями и выбор значений больше пороговых.
Лучший вариант осуществления способа показан на примере осуществления вибродиагностики и прогнозирования внезапного отказа нового турбореактивного двигателя с двумя роторами и одним межроторным подшипником (МРП) при приемосдаточных испытаниях.
Двигатель 4 (фиг.1) устанавливают на стенд (не показан) для приемосдаточных испытаний. Двигатель 4 содержит ротор 1 низкого давления (РНД), ротор 2 высокого давления (РВД), межроторный подшипник 3 (МРП), имеет корпус входного направляющего аппарата (ВНА) 5 компрессора низкого давления, промежуточный корпус 6 компрессора.
На корпусах двигателя в местах корпуса, представляющих информативный интерес о состоянии МРП, устанавливают пять датчиков виброскорости следующим образом.
Группу из двух датчиков - датчик 7 и датчик 8 - размещают на корпусе ВНА 5 компрессора низкого давления в поперечном сечении А-А в горизонтальном и вертикальном направлениях перпендикулярно оси двигателя, другую группу - датчик 9, датчик 10, датчик 11 - размещают на промежуточном корпусе 6 компрессора в поперечном сечении Б-Б в горизонтальном и вертикальном направлениях перпендикулярно оси двигателя. Каждая группа расположена в одном поперечном сечении (фиг.1).
Включают двигатель и осуществляют работу двигателя на основных режимах: «Запуск двигателя - Малый Газ -…- Крейсерский - Максимальный -…- Малый Газ - Останов двигателя» во всем эксплуатационном диапазоне частот вращения роторов от 0 до 100%. Время работы на каждом режиме для достижения информативности вибросигнала не менее 5 секунд. Во время работы двигателя осуществляют непрерывную запись сигналов.
1
2
2
1
2
1
2
1
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Полученные аналоговые сигналы датчиков вибрации поступают в компьютер или электронно-вычислительный блок с установленным носителем. Поступившие сигналы оцифровываются. Затем оцифрованные информационные вибросигналы преобразуют в спектр преобразованием Фурье и спектральным анализом выделяют в них максимальные значения корреляции на диагностических частотах в виде комбинационных частот вращения роторов и/или кратных частотам вращения роторов. В качестве комбинационных частот используют f+f, 2f+f, f-f, 2f-f, 2f-f, 2f+f, в качестве кратных - 2f, 2f, 3f, 3f, 4f, 4f, 5f, 5f, 6f, 6f, где f - частота вращения ротора низкого давления, f - частота вращения ротора высокого давления.
Выбранные максимальные значения корректируют на погрешность датчика вибрации следующим образом: выбранное максимальное значение на комбинационной или кратной частоте умножают на величину, обратную чувствительности, найденной по амплитудно-частотной характеристике собственно датчика вибрации на той же частоте (фиг.2). Полученные скорректированные максимальные значения являются значениями, показывающими корреляцию информационных вибросигналов и пороговых значений на диагностических частотах.
Каждое из полученных скорректированных максимальных значений сравнивают с собственным пороговым значением, которое предварительно установлено статистическим анализом вибросигналов двигателей с работоспособными и дефектными МРП для той же комбинационной и кратной частоты.
1
2
п
На фиг.3 показано, что скорректированное значение виброскорости на частоте f+f составляет x=0,895. Пороговое значение на этой частоте равно 9 (х=9). Таким образом, обнаружено, что на указанной частоте значение меньше порогового.
Аналогичные сравнения были проведены на остальных комбинационных и кратных частотах.
В результате диагностики было обнаружено, что на всех комбинационных и кратных частотах скорректированные значения меньше пороговых, вследствие чего внезапный отказ двигателя из-за разрушения межроторного подшипника не прогнозируют. Двигатель работоспособен в течение установленного ресурса.
1
2
п
В другом аналогичном двигателе (фиг.4) было обнаружено, что скорректированное значение виброскорости на частоте f+f составляет х=10,64. Пороговое значение на этой частоте равно 9 (х=9). Таким образом, обнаружено, что на указанной частоте значение больше порогового.
Аналогичное сравнение проводят на остальных комбинационных и кратных частотах.
В результате диагностики обнаружено, что на всех других комбинационных и кратных частотах скорректированные значения меньше пороговых. Однако, так как обнаружено одно из скорректированных значений больше собственного порогового значения, прогнозируют внезапный отказ двигателя вследствие разрушения межроторного подшипника. Двигатель не работоспособен в течение установленного ресурса.
Способ может быть использован для проведения предъявительских или приемосдаточных испытаний перед отправкой в эксплуатацию.