Способ повышения эффективности диагностики дисков авиационных газотурбинных двигателей
WAY OF AERO GAS-TURBINE ENGINE DISK DIAGNOSTIC EFFICIENCY UPGRADING

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения.
Известны случаи разрушения дисков роторов авиационных газотурбинных двигателей от малоцикловой усталости при циклической нагрузке, возникающей при выходе двигателей на максимальные рабочие обороты. Малоцикловая усталость часто определяет ресурс двигателя в связи с многократным повторением циклов выхода на рабочие режимы и останова (см., например, И.А. Биргер, Р.Р. Мавлютов. Сопротивление материалов, М.: Наука, 1986, с. 102).
Эти разрушения происходили при отсутствии способа диагностики диска, когда наличие трещины в нем, несмотря на длительный характер ее развития, можно было определить только на разобранном двигателе.
В настоящее время способ диагностики дисков на работающем двигателе известен (См., например, «Способ диагностирования образования и развития трещины в дисках авиационного газотурбинного двигателя при циклической нагрузке», патент РФ на изобретение №2570938, кл. G01M 15/14, 2014 г.). Он основан на использовании в качестве диагностического признака развития трещины в диске, которое носит ступенчатый характер, импульсного колебания, вызываемого энергией, высвобождаемой при образовании очередной «ступеньки». Это колебание, которое можно регистрировать на корпусе двигателя датчиком вибрации, имеет кратковременный характер и накладывается на вибрацию двигателя, возбуждаемую неуравновешенными силами ротора (или роторов многовальных двигателей).
Недостатком данного способа является то, что случайное кратковременное повышение вибраций двигателя может быть вызвано другой причиной, даже просто сбоем в электроцепи, а идентифицировано как импульсное колебание от развития трещины. В таком случае возможно необоснованное отстранение двигателя от эксплуатации или от испытаний.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности метода диагностики диска путем разложения интегрального вибросигнала, регистрируемого на корпусе двигателя при развитии трещины в диске, на спектральные составляющие, которые соответствуют резонансным частотам колебаний отдельных элементов двигателя (см., например, И.А. Биргер, Н.И. Котеров Колебания системы ротор-корпус ГТД, Справочник Вибрации в технике, М., Машиностроение, 1981, т. 3, с. 298) и их исследовании совместно с интегральным вибросигналом.
Поставленная задача достигается за счет того, что ведется регистрация вибраций с вибродатчика на корпусе двигателя аппаратурой, позволяющей выявлять как интегральный вибросигнал вибрации, в том числе в момент кратковременного колебания корпуса при ступенчатом развитии трещины, так и производить спектральный анализ составляющих этого вибросигнала.
Анализ интегрального сигнала вибраций, импульсное увеличение которого является диагностическим признаком развития трещины в диске, следует вести одновременно с анализом составляющих вибрации в спектральном ряду.
При анализе составляющих вибрации спектрального ряда следует использовать сведения о резонансных режимах системы ротор-опоры-корпус двигателя, полученные расчетным или экспериментальным путем.
На современных авиационных ГТД из-за стремления максимально облегчить конструкцию резонансы роторов могут проявляться в диапазоне рабочих оборотов. Чтобы отстроиться от этих резонансов на двигателях применяются опоры роторов с упругими элементами, позволяющими снизить резонансные частоты роторов с рабочих оборотов на проходные, иногда даже ниже оборотов малого газа (см., например, Хронин Д.В. Колебания в двигателях летательных аппаратов. М., Машиностроение, 1980, с. 133). На максимальных рабочих оборотах, на которых циклическая нагрузка в диске достигает своего предельного значения и может приводить к ступенчатому развитию трещины, в случае отсутствия трещины проявляются только вибрации нерезонансного характера с частотой оборотов ротора (роторов).
Но при ступенчатом развитии трещины в диске в результате мощного импульса высвобождаемой энергии происходит возбуждение резонансов системы двигателя, в том числе с частотами ниже максимальных рабочих оборотов. Сумма величин вибросигналов от этих резонансов обеспечивает кратковременный рост интегрального сигнала вибрации, являющийся диагностическим признаком наличия и развития трещины в диске.
Появление же в спектре вибраций с частотами, отличными от максимальных рабочих, дает дополнительную информацию о развитии трещины и повышает эффективность диагностики диска. Наличие этих резонансных составляющих вибраций с частотами, отличными от максимальных рабочих, является дополнительным диагностическим признаком трещины в диске.
Так как с наработкой трещина в диске увеличивается в размерах, то увеличивается и количество высвобождаемой энергии при образовании очередной «ступеньки».
Величина высвобождаемой при развитии трещины энергии, отнесенная к единице времени, может быть рассчитана по формуле
,
где
t - ширина очередной «ступеньки» развивающейся трещины;
- длина вновь образовавшейся «ступеньки»;
σb - предел прочности материала диска;
V - скорость развития трещины (см., например, В.З. Партон, В.Г. Борисковский. Динамика хрупкого разрушения, М., Машиностроение, 1988, с. 153).
С развитием трещины увеличивается длина каждой следующей «ступеньки», так как трещина растет и вширь. Поэтому увеличивается величина высвобождаемой энергии. С увеличением величины импульса высвобождаемой энергии увеличиваются интегральная вибрация, замеряемая с использованием полосового фильтра, и отдельные составляющие спектра вибрации с частотами, отличными от максимальных роторных, регистрируемые при развитии трещины.
Если в диапазоне оборотов ротора до максимального режима в системе ротор-опоры-корпус расчетным или экспериментальным способом выявлены n резонансов с частотами колебаний fi, где i=1…n, то при развитии трещины в диске на максимальном рабочем режиме под воздействием мощного импульса высвобождаемой энергии проявятся дискретные вибросигналы с указанными частотами с величинами Bi, где i=1…n (fi и Bi - частота колебаний и величина вибросигнала, соответствующие i-му резонансу системы ротор-опоры-корпус двигателя).
При отсутствии трещины в диске величина вибросигнала на режиме максимальных рабочих оборотов определяется только вынужденными колебаниями ротора - Bp с частотой, соответствующей оборотам ротора.
При возникновении и развитии трещины в диске величина интегрального вибросигнала будет равна
При этом величина Bp, характеризующая вынужденные колебания ротора, остается неизменной, так как при развитии трещины в диске за исключением момента разрушения массово-инерционные свойства диска остаются также практически неизменными. А рост интегрального вибросигнала ВΣ определяется возбуждением, высвобождаемым импульсом энергии дискретных резонансных колебаний В1…Bn с частотами f1…fn и их суммированием.
Совместный анализ интегрального вибросигнала и его спектральных составляющих, регистрируемых на корпусе двигателя на максимальных рабочих режимах, позволит повысить эффективность диагностики дисков ГТД.