СИСТЕМА ВИБРОДИАГНОСТИКИ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к средствам контроля технического состояния авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и может быть использована для диагностики ГТД в процессе их эксплуатации в реальном времени, при техническом обслуживании и/или после ремонта.
Наиболее известные и широко используемые в настоящее время на практике средства для диагностирования технического состояния авиационных ГТД обычно сочетают статистические методы оценки надежности (эксплуатация приводных агрегатов и ГТД в целом по назначенному ресурсу) с контролем ограниченного количества функциональных параметров в процессе эксплуатации ГТД.
Данная практика существенно снижает расходы, так как уменьшает вероятность снятия исправного двигателя с крыла и переборкой фактически исправных двигателей. Однако практическая реализация данных методов возможна лишь при корректном выборе контролируемых функциональных параметров, наличии эффективного инструментального обеспечения для реализации данных методов и наличия методологии обработки получаемых функциональных параметров.
В настоящее время довольно широко распространена вибрационная диагностика узлов и агрегатов ГТД, основанная на использовании в качестве функционального параметра вибраций деталей, узлов и агрегатов двигателя и определении по их значениям состояния ГТД. В процессе работы ГТД динамические процессы вызывают колебания корпуса, подшипников валов роторов, самих роторов, лопаток, установленных на роторах и пр. Для диагностирования ГТД измеряют вибрационный сигнал и по его анализу делают вывод о состоянии ГТД.
Известна система для контроля и диагностирования 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 она обладает значительной погрешностью, не позволяющей достоверно определить состояние двигателя, так как на колебания масляной трубы оказывают также влияние факторы, которые не учитываются при определении значения вибрации, такие, как цикличность изменения давления масла в трубе, температура масла и пр. Кроме того, невозможно полностью исключить влияние на характер вибрации элемента вибрации других элементов ГТД, что также ведет к повышению погрешности диагностики, кроме того, в зависимости от конструкции двигателя не всегда можно установить преобразователь колебаний на трубе слива масла.
Известна система для диагностики технического состояния узлов и приводных агрегатов ГТД, включающее лазерный вибропреобразователь, соединенный с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом быстрого преобразователя Фурье вибрации, выходы данного блока 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; третий выход быстрого преобразователя Фурье вибрации соединен с входом блока полосовой фильтрации входной вибрации, выход которого соединен с входом блока определения огибающей вибрации, выход которого 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 определения характерных частот вибрации механизмов; первый выход блока выбора исходных данных и параметров для определения характерных частот вибрации механизмов соединен с входом блока анализа сигнала по спектру вибрации; второй выход блока выбора исходных данных и параметров для определения характерных частот вибрации механизмов соединен с входом блока определения оборотов первичного вала; третий выход блока выбора исходных данных и параметров для определения характерных частот вибрации механизмов соединен с входом 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.
(см. патент РФ №2379645, к. G01M 15/14, 2010 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известной системы необходимо отметить, что она обладает невысокой точностью, поскольку достоверно трудно установить связь между источниками возникновения вибрации и изменением спектра. Для серийных двигателей, находящихся в эксплуатации, такой способ контроля не облает оперативностью и требует наличия специальной аппаратурой и опытных специалистов Данная система, в которой использован лазерный вибропреобразователь, применима, в основном, в стационарных наземных условиях и не может быть использована на борту самолета непосредственно в полете.
Техническим результатом данной полезной модели является повышение точности и надежности диагностики ГТД непосредственно в полете и на моторных стендах при выпуске двигателя в эксплуатацию.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в системе вибродиагностики газотурбинного двигателя, включающей датчики частоты вращения ротора и вибрации ротора двигателя, блок формирования эталонной виброхарактеристики в зависимости от частоты вращения ротора, блок формирования полетной виброхарактеристики, связанный с датчиками, первый блок сравнения, задатчик порогового значения, новым является то, что система оснащена блоком сигнализации, блоком формирования базовой виброхарактеристики, блоком формирования локальных эксплуатационных виброхарактеристик, вторым третьим и четвертым блоками сравнения, счетчиком и задатчиком числа полетов, входы блока формирования локальных эксплуатационных виброхарактеристик связаны с датчиками, а выход - с первым входом первого блока сравнения, со вторым входом которого связан выход блока формирования базовой виброхарактеристики, входы которого соединены с датчиками, выход первого блока сравнения связан с первым входом второго блока сравнения, со вторым входом которого связан задатчик порогового значения, выход второго элемента сравнения связан через ключ с блоком формирования эталонной характеристики вибросигнала, выход блока формирования полетной виброхарактеристики связан с первым входом третьего блока сравнения, со вторым входом которого связан выход блока формирования эталонной виброхарактеристики вибросигнала, а выход третьего блока сравнения связан с блоком сигнализации, при этом, счетчик полетов и задатчик полетов связаны соответственно с первым и вторым входами четвертого блока сравнения, выход которого связан с ключом.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема системы для вибродиагностики ГТД.
Система для вибродиагностики ГТД 1, устанавливаемого на объект (например, самолет) 2 содержит датчик 3 частоты вращения ротора ГТД 1 и датчик 4 вибрации ротора ГТД. Выходы датчиков 3 и 4 связаны с входами блока 5 формирования базовой виброхарактеристики вибросигнала в зависимости от частоты вращения ротора. Система также содержит блок 6 формирования локальных эксплуатационных виброхарактеристик вибросигнала, входы которого связаны с датчиками 3 и 4, а выход - с первым входом первого блока 7 сравнения, второй вход которого связан с выходом блока 5. Выход блока 7 связан с первым входом второго блока 8 сравнения, со вторым входом которого связан выход задатчика 9 порогового значения. Выход блока 8 связан с блоком 10 формирования эталонной виброхарактеристики вибросигнала. Система также оснащена блоком 11 формирования полетной виброхарактеристики вибросигнала, входами связанным с датчиками 3 и 4, а выходом с первым входом третьего блока 12 сравнения, со вторым входом которого связан выход блока 10. Выход третьего блока 12 сравнения связан с блоком сигнализации 13, расположенным, например, в кабине самолета. С данным блоком также связан выход второго блока 8 сравнения.
Система также оснащена счетчиком 14 полетов, выход которого связан с первым входом четвертого блока 15 сравнения, со вторым входом которого связан выход задатчика 16 количества полетов. Выход блока 15 сравнения связан с ключом 17, находящимся в линии связи второго блока 8 сравнения и блока 10 формирования эталонной виброхарактеристики вибросигнала.
Датчики 3 и 4 системы, счетчик полетов 14, задатчик количества полетов 16 являются стандартными.
В качестве блока сигнализации может быть использован известный блок речевой сигнализации или световое табло.
В качестве блоков формирования виброхарактеристик могут быть использованы накопители информации, выполненные в виде цифровых блоков памяти, в которых сохраняется в табличном виде зависимость значения вибрации от частоты вращения ротора двигателя или другого параметра, характеризующего режим работы двигателя. Данная зависимость может быть аппроксимирована одним из известных способов, например, степенным полиномом.
В качестве блоков сравнения могут быть использованы широко известные логические блоки «И/ИЛИ»
Система вибродиагностики ГТД работает следующим образом.
Для проведения вибродиагностики изготовленный или капитально отремонтированный ГТД устанавливают на стенд, включают его в работу и снимают виброхарактеристики ротора на рабочих установившихся частотах вращения. Частоты вращения при этом отслеживаются датчиком 3, а вибрации - датчиком 4. Показания с датчиков 3 и 4 поступают на блок 5, в котором на их основе формируется базовая виброхарактеристика ГТД, то есть, значения вибрации в зависимости от частоты вращения ротора ГТД. Таким образом, для каждого ГТД, до установки его на объект (самолет) формируют индивидуальную базовую виброхарактеристику, на которую не влияют вибрации самого объекта (самолета).
После установки двигателя на самолет осуществляют снятие эксплуатационных виброхарактеристик ГТД. Для этого используются данные, полученные в серии первых нескольких (заранее заданном числе) опытных полетах. Для формирования эксплуатационной виброхарактеристики задатчиком 16 устанавливают заданное количество полетов. Количество реально проведенных полетов отслеживает счетчик 14 полетов. Как правило, счетчик полетов отслеживает количество запусков ГТД и количество выпусков шасси. Пока число проведенных полетов меньше или равно (не больше) заданного, сигнал с устройства сравнения 15 поступает на ключ 17 и держит его в замкнутом (включенном) положении.
В процессе каждого опытного полета серии, в блоке 6 на основании показаний датчиков 3 и 4 формируется локальная эксплуатационная виброхарактеристика, например, в виде степенного полинома, характерная для данного полета серии, которая сравнивается в первом блоке 7 сравнения с базовой виброхарактеристикой блока 5. Полученный сигнал рассогласования сравнивается во втором 8 блоке сравнения с заданным задатчиком 9 пороговым значением. В случае выхода сигнала за пределы заданного порога сигнал рассогласования выдается на блок сигнализации 13, а блок формирования 10 эталонной виброхарактеристики не учитывает данный сигнал. Это весьма важно, так как даже на стадии отработки ГТД позволяет исключить его аварию и повреждения.
Если значения локальных эксплуатационных виброхарактеристик находятся в пределах заданного порогового значения, их значения регистрируются в блоке 10 и по ним в блоке 10 формируется эталонная виброхарактеристика таким же образом, как и другие виброхарактеристики, приведенные выше.
Когда на четвертый блок 15 сравнения со счетчика 14 полетов поступает сигнал, характеризующий число полетов, равный сигналу задатчика 16, с блока 15 сравнения на ключ 17 поступает сигнал его выключения (размыкания).
Полученная эталонная виброхарактеристика учитывает индивидуальные виброхарактеристики как ГТД, так и самолета, на котором установлен ГТД.
В процессе эксплуатации ГТД (полетов самолета) датчиками 3 и 4 постоянно осуществляется измерение числа оборотов ротора и его вибрации на рабочих частотах ротора, по которым в блоке 11 формируется аналогично приведенному выше полетная виброхарактеристика, текущее значение вибрации сравнивается в третьем блоке сравнения 12 с эталонной виброхарактеристикой на одних и тех же частотах вращения и по результатам сравнения вырабатывается вибросигнал рассогласования, который характеризует техническое состояние ГТД на момент полета.
Данный сигнал подается на блок сигнализации 13 для принятия решения о дальнейшей эксплуатации ГТД и в систему управления самолетом.
Достоинством данной системы является повышение точности и надежности диагностирования новых и капитально отремонтированных ГТД за счет учета индивидуальных особенностей каждого ГТД и влияний на них самолета, а также исключения аварий на стадии предполетных и полетных испытаний ГТД.
Данная система учитывает особенности конкретного сочетания самолет-двигатель и позволяет достоверно определять в реальном масштабе времени полета состояние двигателя, своевременно предупреждать экипаж о возникновении опасной ситуации и тем самым обеспечить надежность и безопасность полетов.