СИСТЕМА ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к системам диагностирования агрегатов современных газотурбинных двигателей (ГТД) и может быть использована для диагностирования компрессоров ГТД на разных стадиях выработки их ресурса.
При эксплуатации ГТД большое значение имеет постоянный контроль состояния его агрегатов с целью выявления необходимости проведения их технического обслуживания, ремонта или замены. Весьма важно, чтобы техническое состояние ГТД постоянно отслеживалось в процессе его эксплуатации и информация о техническом состоянии и, что особенно важно, на ранней стадии появления дефекта, постоянно сообщалась техническому персоналу или пилоту. Это в высокой степени позволит избежать аварийных ситуаций, связанных с отказами агрегатов ГТД.
В настоящее время для контроля состояния агрегатов ГТД используются различные методы, в частности, для контроля состояния компрессоров ГТД используются его вибрационные характеристики или показания отдельных датчиков, которые обрабатываются по определенным зависимостям и по результатам обработки делается вывод о техническом состоянии компрессора. Однако данные методы диагностики не отличаются достаточной точностью, так как определение технического состояния по нескольким параметрам не позволяет установить действительное состояние компрессора ГТД. В настоящей заявке для определения состояния компрессора ГТД используется комплексный показатель - адиабатический коэффициент полезного действия (КПД) компрессора.
Известно устройство для диагностики технического состояния деталей, узлов и приводных агрегатов ГТД, содержащее лазерный вибропреобразователь, измеряющий виброскорость, выход которого соединен с входом аналога - цифрового преобразователя (АЦП), выход АЦП соединен с входом быстрого преобразователя Фурье вибрации, выходы которого соединены с входами блока сглаживания и установки номинальных пороговых значений в прямом спектре вибрации, блока выделения дискретных составляющих над порогом номинальных значений в спектре вибрации и блока полосовой фильтрации входной вибрации. Первый выход быстрого преобразователя Фурье вибрации соединен с входом блока сглаживания и установки пороговых значений, выход которого соединен с входом блока выделения дискретных составляющих над порогом номинальных значений в спектре вибрации, выход которого соединен с входом блока анализа выделенных дискретных составляющих по спектру вибрации, выход которого соединен с входом блока оценки технического состояния диагностируемого механизма. Второй выход быстрого преобразователя Фурье вибрации соединен с входом блока выделения дискретных составляющих над порогом номинальных значений в спектре вибрации, а третий выход быстрого преобразователя Фурье вибрации соединен с входом блока полосовой фильтрации входной вибрации, выход которого соединен с входом блока определения огибающей вибрации, выход данного блока соединен с входом быстрого преобразователя Фурье огибающей вибрации. Выходы быстрого преобразователя Фурье огибающей вибрации соединены с входами блока выделения дискретных составляющих над порогом номинальных значений в спектре огибающей вибрации и блока сглаживания и установки пороговых значений в спектре огибающей вибрации. Выход блока сглаживания и установки пороговых значений в спектре огибающей вибрации соединен с входом блока выделения дискретных составляющих над порогом номинальных значений в спектре огибающей вибрации, выход которого соединен с входом блока анализа выделенных дискретных составляющих по спектру огибающей вибрации, выход которого соединен с входом блока оценки технического состояния диагностируемого механизма. Выход постоянного запоминающего устройства соединен с входом блока выбора исходных данных и параметров для определение характерных частот вибрации механизмов, первый выход которого соединен с входом блока анализа сигнала по спектру вибрации, второй выход соединен с входом блока определения оборотов первичного вала, а третий выход - с входом блока анализа по спектру огибающей вибрации.
Выходы блока определения оборотов первичного вала соединены с входами блока анализа по спектру вибрации и с входами блока анализа выделенных дискретных составляющих по спектру огибающей вибрации.
При вибродиагностировании агрегатов ГТД, выявляемые дефекты делятся на три группы: слабые (зарождающиеся), средние (развивающиеся) и сильные (при которых резко сокращается остаточный ресурс работы исследуемого агрегата).
(патент РФ на полезную модель №70005, G01V 15/00. 2008 г.).
В результате анализа известного устройства необходимо отметить, что использование а качестве диагностируемого параметра вибрации агрегата не позволяет достаточно объективно оценить его техническое состояние.
тнд
тнд
тнд
тнд
Известна система диагностики компрессора ГТД, содержащая датчик измерения температуры газов за турбиной низкого давления T, соединенный с входом дифференцирующего блока, в котором осуществляется вычисление первой производной T по времени ΔT/Δτ(Т). Выход дифференцирующего блока соединен с первым входом арифметического блока.
вд
вд
вд
вд
Система также содержит датчик измерения параметра n, который соединен с входом второго дифференцирующего блока. В дифференцирующем блоке осуществляется вычисление первой производной n по времени Δn/Δτ(n). Выход дифференцирующего блока соединен со вторым входом арифметического блока.
вд
тнд
тнд
вд
На арифметический блок поступают сигналы n и T, и в этом блоке определяется отношение T/n.
тнд
вд
тнд
вд
y
тнд
вд
тнд
вд
порог
порог
Δ
порог
Система также оснащена блоком формирования предельно предельно допустимого значения отношения (T/n). Величина (T/n) формируется на основе заранее установленных запасов газодинамической устойчивости компрессора K и с учетом статистики изменения (T/n) во всех ожидаемых условиях эксплуатации. В общем случае величина (T/n) может быть функцией или константой. Выход данного блока связан с одним из входов блока сравнения, другой вход которого связан с выходом арифметического блока.
тнд
вд
тнд
вд
тнд
вд
тнд
вд
1
тнд
вд
тнд
вд
1
порог
порог
порог
В блоке сравнения осуществляется сравнение текущего значения (T/n) с предельно допустимым (пороговым) значением (T/n). При (T/n)≤(T/n) на выходе блока сравнения сигнал отсутствует, I=0. В случае, если (T/n)>(T/n) на выходе блока сравнения формируется логический сигнал I=1, свидетельствующий об одном из условий срыва работы компрессора. Выход блока сравнения связан с первым входом логического устройства.
вд
вд
вд
2
2
Выход датчика измерения параметра n дополнительно связан со вторым логическим устройством, в котором осуществляется проверка условия: входит ли текущая величина n в диапазон 20%…38%. Если 20%≤n≤38%, то на выходе сигнал I=1 (разрешение на формирование сигнала “срыв потока”), иначе I=0 (запрет на выдачу сигнала “срыв потока”). Выход второго логического устройства связан со вторым входом первого логического устройства.
1
2
3
Если на входе первого логического устройства состояние входных сигналов I=1 и I=1, то на выходе устройства формируется сигнал I=1 - “срыв потока”, в остальных сочетаниях сигнал “срыв потока” не формируется.
(см. патент РФ №2316678, кл. F04D 27/02, 2008 г.) - наиболее близкий аналог.
тнд
вд
В результате анализа известной системы необходимо отметить, что ее использование позволяет оперативно и надежно фиксировать начало срыва компрессора в различных условиях эксплуатации, в том числе в области высоких температур и пониженного давления воздуха на входе (в условиях высокогорья) на основе параметрического определения срыва потока по динамике изменения отношения первых производных контролируемых параметров T и n. Однако данная система не обеспечивает объективного контроля состояния компрессора, так как для его оценки используется ограниченное количество показателей.
Техническим результатом настоящей полезной модели является разработка системы, обеспечивающей достоверное определение состояния компрессора ГТД, в том числе выявление дефектов на ранней стадии их возникновения, а также осуществляющей контроль развития данных дефектов, что обеспечивает своевременное проведение регламентных работ по обслуживанию, ремонту компрессора или его замене.
Указанный технический результат в заявленной полезной модели обеспечивается тем, что в системе параметрической диагностики компрессора газотурбинного двигателя, включающей блок формирования приведенной частоты вращения ротора компрессора высокого давления, имеющий возможность входами соединения с датчиками частоты вращения ротора компрессора высокого давления и температуры воздуха на входе в газотурбинный двигатель, задатчик уровня допустимых отклонений выбранного для диагностики параметра, связанный с первым входом элемента сравнения, новым является то, что система снабжена вторыми задатчиком и элементом сравнения, а также блоком определения базового коэффициента полезного действия компрессора и блоком формирования сигнала фактического адиабатического коэффициента полезного действия компрессора, вход которого имеет возможность соединения с датчиками контроля параметров компрессора, в выход - с со вторыми входами элементов сравнения и, через прерыватель, со вторым входом блока определения базового коэффициента полезного действия компрессора, первый вход которого соединен с выходом блока формирования приведенной частоты вращения ротора компрессора высокого давления, выход блока определения базового коэффициента полезного действия компрессора соединен со вторыми входами сумматоров, первые входы которых соединены с задатчиками уровня допустимых отклонений коэффициента полезного действия, а их выходы связаны с первыми входами элементов сравнения, выходы которых имеют возможность соединения с регистрирующими устройствами.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема системы параметрической диагностики компрессора ГТД.
ф
1
вх
6
6
4
2
вх
Система параметрической диагностики компрессора ГТД 1 содержит блок 2 формирования фактического адиабатического КПД компрессора (η). Конструктивно данный блок может быть реализован в виде в виде стандартного микропроцессорного модуля, включенного в цифровую систему диагностики двигателя. Входы блока 2 связаны с датчиками: частоты вращения ротора компрессора низкого давления (n); давления воздуха на входе в ГТД (P); давления за компрессором низкого давления (P); температуры воздуха за компрессором низкого давления (T); температуры газа за турбиной (T); давления воздуха за компрессором высокого давления (P); температуры воздуха на входе в ГТД (T). Естественно, что контролируемые параметры не являются исчерпывающими, однако, как показали эксперименты, они оказывают определяющее влияние на точность определения КПД компрессора. Естественно, что количество измеряемых параметров может быть и большим, однако, в данном случае точность определения фактического КПД практически не повышается, но объем обработки информации значительно возрастает.
вх
Датчик частоты вращения ротора компрессора высокого давления (n) связан с первым входом блока 3 формирования приведенной частоты вращения ротора компрессора высокого давления, второй вход которого имеет возможность соединения с датчиком T. Выход блока 3 соединен с первым входом блока 4 определения базовой характеристики (КПД), второй вход которого имеет возможность соединения с выходом блока 2.
Система оснащена задатчиками 5 и 6 уровня допустимых отклонений КПД, связанных соответственно, с первыми входами сумматоров 7 и 8, выходы которых соединены соответственно с первыми входами элементов сравнения 9 и 10. Вторые входы элементов сравнения связаны с выходом блока 2. Выходы элементов сравнения связаны соответственно с регистрирующими устройствами 11 и 12. В линии связи блоков 2 и 4 установлен прерыватель 13. Конструктивно задатчики 5 и 6 могут быть реализованы в виде в виде стандартного микропроцессорного модуля, включенного в цифровую систему диагностики двигателя.
Выполнение блоков системы, не раскрытое в настоящей заявке, является известным.
Система параметрической диагностики компрессора ГТД функционирует следующим образом.
При стендовых испытаниях ГТД перед отправкой его в эксплуатацию определяется базовая характеристика адиабатического КПД компрессора, которая с блока 2 передается в блок 4 и хранится в нем. При передаче информации прерыватель 13 замкнут. При эксплуатации ГТД прерыватель 13 постоянно находится в разомкнутом положении. Базовая характеристика может быть также получена расчетным путем при моделировании на математической модели ГТД.
ф
В процессе эксплуатации ГТД по комплексу измеряемых параметров определяется текущее значение адиабатического КПД компрессора (η). Вычисление производится по следующей степенной функции:
,
0
где - C - постоянный коэффициент,
i
C - показатель степени i-го аргумента, i=1…k,
X - параметр одного из датчиков,
- алгебраический знак умножения.
вх
пр
Параллельно показания датчиков n и T поступают на входы блока 3, где осуществляется формирование приведенной частоты вращения ротора компрессора высокого давления (n). Формирование сигнала приведенной частоты вращения ротора компрессора высокого давления осуществляется по зависимости . Блок 3 может быть выполнен в виде в виде стандартного микропроцессорного модуля, включенного в цифровую систему диагностики двигателя.
пр
баз
пр.
баз
пр
1
2
баз
Сформированный сигнал (n) поступает на второй вход блока 4, где формируется базовое значение η в зависимости от n η=f(n). Данный блок может быть реализован в виде микропроцессорного модуля, включенного в цифровую систему диагностики двигателя. На первые входы сумматоров 7 и 8 поступают заданные значения допустимых отклонений КПД (Δη и Δη) первого и второго заданных уровней снижения КПД, а на вторые их входы поступает сигнал η.
В процессе эксплуатации компрессора из-за накопления повреждений конструкции, вызванных износом при выработке ресурса или действием внешних факторов, например, возникновения забоин или разрушением рабочих лопаток ступени компрессора из-за попадания посторонних предметов в тракт ГТД, текущее значение адиабатического КПД отклоняется от базового значения.
баз
1
баз
2
ф
баз
1
ф
баз
2
ф
Суммированные значения (η-Δη, η-Δη), характеризующие величину отклонения текущего параметра КПД от допустимого, поступают соответственно на первые входы элементов сравнения 9 и 10, на вторые входы которых поступают сигналы (η), характеризующие текущее значение КПД компрессора. В случае, если η-Δη≥η инициируется регистрирующее устройство 11, а в случае, если η-Δη≥η - инициируется регистрирующее устройство 12.
Регистрирующие устройства 11 и 12 могут быть выполнены различным образом, например, в виде световых и/или звуковых сигнальных устройств или в виде табло.
Таким образом, при работе системы одновременно контролируются два уровня снижения КПД ниже базовой характеристики.
При снижении КПД ниже первого уровня в системе формируется сообщение о необходимости проведения осмотра и/или технического обслуживания компрессора (например, промыть проточную часть компрессора).
При снижении КПД ниже второго заданного уровня формируется команда о необходимости прекращения эксплуатации и направлении ГТД в ремонт для замены модуля компрессора.
Использование данной системы позволяет повысить точность диагностирования компрессора ГТД за счет использования при определении его состояния комплексного параметра - адиабатического КПД, а также обеспечить выявление дефектов на ранней стадии их возникновения.