СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ ТРАНСМИССИИ ДВУХВАЛЬНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относятся к диагностике турбомашин и может быть использована для диагностирования состояния трансмиссии двухвальных авиационных газотурбинных двигателей (ГТД).
В настоящее время наиболее распространена виброакустическая диагностика трансмиссии ГТД. Данный метод основан на том, что в процессе работы ГТД динамические процессы вызывают колебания корпуса, подшипников валов роторов, самих роторов, лопаток, установленных на роторах и пр. Для диагностики ГТД измеряют акустический сигнал и по его анализу делают вывод о состоянии трансмиссии ГТД.
Известно устройство для контроля и диагностики состояния подшипника качения ГТД. На масляной полости подшипника закреплен акустический зонд в виде эластичной трубки с шероховатой внутренней поверхностью. Преобразователем сигнала колебаний элементов подшипника является гидрофон, который размешают в конце зонда, выведенного из корпуса ГТД. (см. патент РФ №2115907, кл. G01M 13/04, 1998 г.)
Недостатками известного устройства являются необходимость установки дополнительного оборудования в виде акустического зонда и необходимость использования специальных датчиков пульсации давлений, способных работать в газомасляном потоке при температурах около 100 градусов и более.
Известна система для контроля и диагностики работы и состояния подшипников качения и других элементов трансмиссии ГТД, включающая устройство обработки информации, связанное с выходом преобразователя сигнала колебаний, связанного с первичным датчиком колебаний трубы слива масла от подшипника.
В процессе работы ГТД его турбина, размещенная в корпусе, закрытая кожухом, вращается вместе с валом, опирающимся на подшипник, установленный в собственном корпусе, опирающемся на силовые стойки. Масло, подаваемое к подшипнику, пройдя его, попадает в масляную полость и сливается в дренаж по трубе. Акустические сигналы, сопровождающие работу подшипника, ротора турбины с лопатками и других элементов двигателя, распространяясь по трубе слива масла, возбуждают колебания материала трубы, воспринимаемые преобразователем колебаний, от которого электрический сигнал по каналу связи поступает в устройство обработки информации. Устройство обработки информации проводит фильтрацию сигнала для выделения подшипниковых, лопаточных и других составляющих, оценку их уровней, суммирование для выделения детерминированной составляющей на фоне шума и ее преобразование для получения мгновенной частоты, по которой и судят о состоянии элементов ГТД. (см. патент РФ №2318194, кл. G01M 13/04, 2008 г.).
В результате анализа известной системы необходимо отметить, что реализация указанной системы связана со сложностью установки внутри двигателя преобразователя колебаний. Кроме того, недостатком такой системы является низкий частотный спектр колебания металлической трубки заполненной горячим маслом.
Известно устройство для виброакустической диагностики подшипников качения двухвальных турбомашин, содержащее размещенный на двигателе вибродатчик, соединенный через согласующий усилитель и фильтр с входами детектора среднеквадратических значений и детектора амплитудных значений. Устройство дополнительно содержит индикаторы, регулируемый источник опорного напряжения, показывающий прибор, управляющий блок и два компаратора, каждый из которых и управляющий блок имеют, по крайней мере, два входа, один вход управляющего блока соединен с выходом детектора среднеквадратических значений, второй вход управляющего блока - с регулируемым источником опорного напряжения, выход управляющего блока - с одним из входов компараторов, вторые входы которых соединены с выходом детектора амплитудных значений, выходы компараторов соединены с индикаторами, а показывающий прибор - с выходом детектора среднеквадратических значений.
Для работы устройства первоначально осуществляют его настройку.
Так, если необходимо проведение диагностики межвальных подшипников качения двухвальных турбомашин ГТД, то фильтр настраивают на информативный диапазон частот коммутируемого фильтра для данного двигателя.
В процессе работы устройства вибросигнал от датчика поступает на вход согласующего усилителя, с выхода которого усиленный вибросигнал поступает на вход фильтра. С выхода фильтра вибросигнал поступает на вход детектора среднеквадратических значений и на вход детектора амплитудных значений. На выходе детектора среднеквадратических значений установлен показывающий прибор, который фиксирует среднеквадратическое значение вибросигнала на выходе детектора среднеквадратических значений. Это же среднеквадратическое значение вибросигнала подается на один из входов блока управления компараторами. На второй вход блока управления подается опорное напряжение от регулируемого источника опорного напряжения. В блоке управления происходит суммирование среднеквадратического значения вибросигнала с выхода детектора среднеквадратических значений и сигнала от регулируемого источника опорного напряжения. Полученный суммарный сигнал поступает на входы компараторов и управляет их работой. На вторые входы компараторов подается амплитудное значение вибросигнала с детектора амплитудных значений. Компараторы настроены таким образом, что индикаторы (сигнальные лампочки или светоизлучающие диоды) включаются в случае, если вибросигнал от детектора амплитудных значений превысит определенные значения от полного значения шкалы показывающего прибора.
(см. патент РФ №2200942, кл.G01М 13/04, 2003 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известного устройства необходимо отметить, что недостатком его является узкий диапазон применения и недостаточная достоверность обнаружения дефектов особенно в конце периода свободного вращения вала, когда интенсивность вибросигнала уменьшается, импульсы не регистрируются. Кроме того, при установке вибродатчика на двигатель, а не непосредственно на подшипник, выделенная частота может генерироваться не только подшипником но и другими подвижными системами, которые установлены на двигателе, тем самым снижается достоверность полученной информации.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение надежности и достоверности диагностики трансмиссии ГТД в эксплуатационных условиях при одновременном расширении диапазона измерений, а также выявление дефектов, на ранних стадиях их возникновения.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в системе диагностики трансмиссии двухвального газотурбинного двигателя, содержащей датчик, первый задатчик и первый элемент сравнения, а также сигнализатор, новым является то, что система оснащена вторым датчиком, вторым элементом сравнения и вторым задатчиком, каждый из датчиков предназначен для измерения частоты вращения одного из валов, причем один из датчиков связан с первыми входами первого и второго элементов сравнения, со вторыми входами каждого из которых связан первый и второй задатчики, другой датчик связан с первыми входами четвертого и пятого элементов сравнения, со вторыми входами каждого из которых связаны соответственно четвертый и пятый задатчики, выходы первого и второго элементов сравнения связаны с входами первого таймера, а выходы четвертого и пятого элементов сравнения - с входами второго таймера, выход первого таймера связан с первым входом третьего элемента сравнения, а второго таймера - с первым входом шестого элемента сравнения, вторые входы третьего и шестого элементов сравнения связаны соответственно, со вторыми входами третьего и шестого задатчиков, а выходы третьего и шестого элементов сравнения связаны с сигнализатором, причем система может быть дополнительно оснащена сумматором, седьмыми элементом сравнения и задатчиком, причем к входам сумматора подсоединены выходы таймеров, а его выход связан с первым входом седьмого элемента сравнения, со вторым входом которого связан седьмой задатчик, а выход седьмого элемента сравнения подключен к сигнализатору.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема системы диагностики трансмиссии двухвального ГТД.
Система содержит датчики 1 и 2 частоты вращения внутреннего 3 и наружного 4 валов ГТД. Датчик 1 связан с первыми входами первого 5 и второго 6 элементов сравнения, второй вход каждого из которых соединен соответственно с выходами первого 7 и второго 8 задатчиков. Выход первого элемента сравнения 5 связан с включающим входом первого таймера 9, а выход второго элемента сравнения - с отключающим входом первого таймера. Выход первого таймера 9 подключен к первому входу третьего элемента сравнения 10, второй вход которого подсоединен к выходу третьего задатчика 11. Выход третьего элемента сравнения связан с первым входом сигнализатора 12.
Второй датчик 2 связан с первыми входами четвертого 13 и пятого 14 элементов сравнения, второй вход каждого из которых соединен соответственно с выходами четвертого 15 и пятого 16 задатчиков. Выход четвертого элемента сравнения связан с включающим входом второго таймера 17, а выход пятого элемента сравнения - с отключающим входом второго таймера. Выход второго таймера 17 связан с первым входом шестого элемента сравнения 18, ко второму входу которого подключен шестой задатчик 19, выход второго таймера соединен со вторым выходом сигнализатора 12.
Система может быть оснащена сумматором 20, первый и второй входы которого соединены с выходами первого и второго таймеров, а выход сумматора соединен с первым входом седьмого элемента сравнения 21, второй вход которого связан с седьмым задатчиком 22, а выход седьмого элемента сравнения подключен к третьему входу сигнализатора 12.
Все блоки системы являются стандартными.
В качестве сигнализатора может быть использовано, например, световое табло,
В качестве таймеров могут быть использованы, например, автоматически включаемые секундомеры.
В качестве задатчика может быть использован стандартный электронный блок, с введенным в него конкретным заранее заданным значением частот вращения или заданное время выбега валов двигателя
Система диагностики трансмиссии двухвального ГТД работает следующим образом.
1
2
Для проведения диагностики состояния трансмиссии ГТД посредством привода (не показан) раскручивают валы 3 и 4 до заданной частоты вращения и отключают привод. Раскручивание валов продолжается, как правило, до достижения частот вращения, характерных для какого-либо рабочего режима. Так, например, раскручивание валов 3 и 4 может быть проведено на режимах их холодной прокрутки. Пусть на начале этапа выбега, для которого характерна максимальная частота вращения валов, частота вращения вала 3 составляет (n), а вала 4 - (n).
Задатчики 7 и 15 настраивают на значения сигналов датчиков, соответствующих частотам вращения валов, при которых включаются таймеры 9 и 17. Пусть это будет 50% от начальной (максимальной) частоты вращения валов 3 и 4.
Задатчики 8 и 16 настраивают на значения сигналов датчиков, соответствующих частотам вращения валов, при которых отключаются таймеры 9 и 17. Пусть это будет 2% от начальной (максимальной) частоты вращения валов 3 и 4.
Задатчик 11 настраивают на номинальное время выбега вала 4 двигателя, например 150 секунд.
Задатчик 19 настраивают на номинальное время выбега вала 3 двигателя, например 100 секунд.
Задатчик 22 настраивают на номинальное время разности выбегов вала 3 и вала 4 двигателя, например 50 секунд.
В процессе свободного вращения валов 1 и 2 (на выбеге) вращаются все элементы трансмиссии ГТД, а датчики 1 и 2 постоянно измеряют частоту вращения валов 3 и 4, которая постепенно уменьшается.
Как только на первый вход элемента сравнения 5 поступает сигнал, характеризующий частоту вращения вала 4, совпадающую с заложенной в задатчик 7, с элемента сравнения 5 подается сигнал на включение таймера 9, который начинает отсчет времени.
Как только на первый вход элемента сравнения 13 поступает сигнал, характеризующий частоту вращения вала 3, совпадающую с заложенной в задатчик 15, с элемента сравнения 13 подается сигнал на включение таймера 17, который начинает отсчет времени.
Наиболее целесообразно, чтобы таймеры 9 и 17 включались одновременно. Для этого от блока 17 отключается блок 13, а вместо него на вход блока 17 подключается блок 5 одновременно с подключением блока 5 к блоку 9. Сигналы с выходов таймеров 9 и 17 поступают на первые входы элементов сравнения 10 и 18, где сравниваются с заданными задатчиками соответственно 11 и 19 значениями.
Как только на первый вход второго элемента сравнения 6 поступает сигнал, характеризующий частоту вращения вала 4, совпадающую с заложенной в задатчик 8, с элемента сравнения 6 подается сигнал на отключение таймера 9, который прекращает отсчет времени выбега вала 4.
Как только на первый вход элемента сравнения 14 поступает сигнал, характеризующий частоту вращения вала 3, совпадающую с заложенной в задатчик 16, с элемента сравнения 14 подается сигнал на отключение таймера 17, который прекращает отсчет времени выбега вала 3.
Интервал времени контроля выбега валов 3 и 4, зарегистрированный таймерами 9 и 17 сравнивается с заложенным соответственно в задатчики 11 и 19 и результаты сравнения подаются на сигнализатор 12, который может быть установлен, например, в кабине пилота.
В задатчики 11 и 19 закладывается значение времени выбега, характеризующего бездефектную работу трансмиссии ГТД (как правило, данная информация определяется по результатам стендовых испытаний или рассчитывается по известным зависимостям).
Информация с таймеров 9 и 17 может поступать на сумматор 20, суммированный сигнал с которого поступает на первый вход элемента сравнения 21, где сравнивается с сигналом задатчика 22 и сигнал рассогласования подается на сигнализатор 12. В этом случае полученный сигнал характеризует возникновении на ранней стадии дополнительных сил трения в межроторном подшипнике («П») двигателя, то есть начала износа деталей подшипника или его разрушения. Если разница времени выбега валов сокращается, это означает что валы стремятся к сцеплению, то есть подшипник перестает вращаться, в этом случае на сигнализатор выдается сигнал о существенной неисправности.
Система является достаточно простой в исполнении, не требует вмешательства в конструкцию двигателя и обеспечивает обнаружение дефектов на ранних стадиях их возникновения.
Исследования состояния трансмиссии на выбеге целесообразно из-за того, что на этом режиме валы двигателя вращаются только под действием инерционных сил и сил трения в подшипниках, так как подача топлива в камеру сгорания двигателя отключена, и турбина не создает необходимой мощности.