СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МЕЖРОТОРНОГО ПОДШИПНИКА ДВУХВАЛЬНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
DIAGNOSTICS METHOD OF TECHNICAL STATE OF INTER-ROTOR BEARING OF TWO-SHAFT GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к контролю и диагностике технического состояния межроторных подшипников (МРРП) двухвальных авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и может быть использовано в авиадвигателестроении для раннего выявления дефектов в процессе изготовления, эксплуатации, технического обслуживания и/или ремонта ГТД.
Межроторный подшипник является одним из самых уязвимых элементов авиационных двигателей двухвальной конструкции. Это объясняется тяжелыми условиями его работы, такими как высокие механические нагрузки, воспринимаемые подшипником, а также частая смена режимов его работы. Когда скольжение ротора высокого давления (РВД) и ротора низкого давления (РНД) отсутствует, кольца и ролики подшипника находятся в относительном покое. При изменении режима работы двигателя или при эволюции самолета происходит раскрутка одного из колец подшипника, что приводит к проскальзыванию роликов по беговой дорожке подшипника и износу их рабочих поверхностей. Данные обстоятельства приводят к зарождению и развитию различных дефектов межроторных подшипников. Выход из строя межроторного подшипника может привести к созданию аварийной ситуации, такой как заклинивание роторов. Как следствие, это влечет за собой вынужденное прекращение полетного задания на объектах с двумя двигателями либо потерю объекта с одним двигателем. Поэтому особое значение придается контролю и диагностике технического состояния МРРП для раннего выявления его дефектов в процессе изготовления, эксплуатации, технического обслуживания и/или ремонта ГТД.
Известен способ диагностики технического состояния деталей, узлов и приводных агрегатов газотурбинного двигателя, включающий измерение и обработку вибросигналов с корпусных конструкций ГТД и приводных агрегатов с получением информации о техническом состоянии диагностируемых деталей, узлов и приводных агрегатов ГТД, в котором измерение вибросигналов с корпусных конструкций ГТД и приводных агрегатов осуществляют в приближенных к диагностируемым деталям, узлам и приводным агрегатам ГТД зонах измерений дистанционно и бесконтактно посредством лазерного вибропреобразователя с измерением и цифровой обработкой вибросигналов, обусловленных аэрогазодинамическими и механическими процессами в газовоздушном тракте и кинематических парах в диагностируемых деталях, узлах и приводных агрегатах ГТД и передающихся на корпусные конструкции ГТД и приводных агрегатов, а информацию о техническом состоянии диагностируемых деталей, узлов и приводных агрегатов ГТД получают путем цифровой обработки вибросигналов с расчетом глубин модуляции на дискретных составляющих спектра огибающей вибрации в высокочастотном диапазоне колебаний корпусных конструкций ГТД и приводных агрегатов (патент РФ №2379645, G01M 15/14, опубл. 20.01.2010).
Известный способ диагностики ГТД и его узлов позволяет удовлетворительно контролировать отдельные параметры их функционирования при наземной проверке, но, с точки зрения оценки фактического технического состояния межроторного роликоподшипника, не позволяет оперативно и своевременно определять зарождающиеся и развитые его дефекты из-за того, что на дискретных составляющих спектра огибающей сигнала вибрации диагностические признаки дефектов МРРП четко не проявляются, что не позволяет с достоверностью выявить дефект данного подшипника.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ диагностики технического состояния межроторного подшипника двухвального (ГТД), включающий измерение и регистрацию вибросигналов с корпусных конструкций ГТД с последующим преобразованием их в амплитудно-частотный спектр, выделение в этом спектре сепараторной частоты межроторного подшипника и частот вращения ротора низкого давления (РНД) и ротора высокого давления (РВД) с последующим определением наличия дефекта межроторного подшипника сравнением сепараторной частоты с частотами вращения РНД или РВД. В случае достижения амплитуды вибраций с частотой вращения сепаратора величины одной из амплитуд с частотами, кратными частотам вращения РНД или РВД, определяют возникновение дефекта межроторного подшипника (патент РФ №87798, G01M 13/04, опубл. 20.10.2009).
Известный способ имеет несомненные преимущества по отношению к описанному выше аналогу при диагностике межроторного подшипника, поскольку предусматривает контроль сепараторной частоты МРРП, которая является основным диагностическим признаком проявления его дефектов. Однако известный способ не обеспечивает достоверность диагностики МРРП, так как существует вероятность совпадения расчетной величины сепараторной частоты МРРП со второй гармоникой частоты вращения ротора низкого давления или частоты гибкого вала на режимах вращения РВД менее 90% его максимальной частоты вращения (n2≤90%). Кроме того, при сравнении сепараторной частоты МРРП с частотами вращения РВД или РНД может произойти преждевременное сигнализирование присутствия развитого дефекта МРРП в случае сравнивания сепараторной частоты МРРП с наименьшей из этих частот, присутствующих на спектре в определенный момент времени, что также снижает достоверность диагностики.
Задачей изобретения является повышение достоверности диагностики состояния межроторного подшипника двухвального газотурбинного двигателя.
Поставленная задача решается тем, что в способе диагностики технического состояния межроторного подшипника двухвального газотурбинного двигателя (ГТД), включающем измерение и регистрацию вибросигналов с корпусных конструкций ГТД с последующим преобразованием их в амплитудно-частотный спектр, выделение в этом спектре сепараторной частоты межроторного подшипника и частот вращения ротора низкого давления (РНД) и ротора высокого давления (РВД) с последующим определением наличия дефекта межроторного подшипника, измерение сигналов вибрации производят на установившихся режимах вращения РВД не менее 90% его максимальной частоты вращения, появление и развитие дефекта определяют по достижению величины амплитудного уровня сепараторной частоты не менее 2 мм/с и не более половины амплитудного уровня наибольшей по амплитуде частоты вращения РНД или РВД, а наличие развитого дефекта определяют по достижению величины амплитудного уровня сепараторной частоты не менее 2 мм/с и более чем половина амплитудного уровня наибольшей по амплитуде частоты вращения РНД или РВД, при одновременном появлении отчетливо выделяющихся из уровня шума разностных частот (n2-fc) и/или (fc-n1), и/или (2*fc-n1), и/или (2*fc-n2), и/или (2*n1-fc), где n1 - частота вращения РНД (Гц), n2 - частота вращения РВД (Гц), fc - частота вращения сепаратора (Гц).
При этом измерение вибросигналов осуществляют с использованием штатного бортового датчика МВ-27-1Г.
Кроме того, значение сепараторной частоты межроторного подшипника рассчитывают по формуле
rol
где d - диаметр тел качения;
c
d - диаметр сепаратора (делительной окружности, проходящей через центры тел качения);
1
n - частота вращения РНД, Гц;
2
n - частота вращения РВД, Гц.
Проведение измерения сигналов вибрации на установившихся режимах вращения РВД не менее 90% его максимальной частоты вращения позволяет обеспечить достоверность диагностики за счет исключения совпадения расчетного значения сепараторной частоты со второй гармоникой частоты вращения РНД (n1) или частоты вращения гибкого вала, которое происходит при режимах вращения менее 90%.
Определение динамики развития дефекта по устанавливаемому предлагаемым техническим решением пороговому уровню сравнения сепараторной частоты с половиной наибольшей по амплитуде частоты вращения РНД или РВД и абсолютному амплитудному уровню данной частоты не менее 2 мм/с, при одновременном появлении отчетливо выделяющихся из уровня шума разностных частот, выявлено на основании анализа данных экспериментов, которые подтверждают достоверность диагностики.
На фиг.1 изображен спектр вибросигнала бездефектного межроторного подшипника; на фиг.2 изображен спектр вибросигнала, измеренного в случае с развивающимся дефектом МРРП; на фиг.3 и на фиг.4 изображены спектры вибросигналов развитого дефекта межроторного подшипника; на фиг.5 показан спектр вибросигнала, измеренного в случае, когда частота вращения РВД совпадает с частотой вращения гибкого вала (на фиг.1-5 амплитудные значения частотных составляющих представлены на спектрах в мм/с по среднеквадратическому значению RMS).
Способ диагностики технического состояния межроторного подшипника двухвального газотурбинного двигателя осуществляют следующим образом.
С вибропреобразователя, например штатного бортового датчика МВ-27-1Г, установленного на промежуточном корпусе двигателя в горизонтальном направлении, одновременно с сигналами частоты вращения РНД и РВД двигателя (n1 и n2) длительностью 20 секунд с частотой дискретизации не менее 2000 Гц на установившихся режимах вращения РВД не менее 90% его максимальной частоты вращения регистрируют вибросигнал. Затем строят усредненный спектр сигнала в мм/с с разрешением df=1 Гц. Значение сепараторной частоты межроторного подшипника рассчитывают по формуле (1)
rol
где d - диаметр тел качения, равный 8 мм;
c
d - диаметр сепаратора (делительной окружности, проходящей через центры тел качения), равный 125 мм;
1
n - частота вращения РНД, Гц;
2
n - частота вращения РВД, Гц.
Программно рассчитывают также значение разностных частот (n2-fc), (fc-n1), (2*fc-n1), (2*fc-n2), (2*n1-fc), а затем анализируют амплитудные уровни сепараторной частоты и амплитудные уровни частот вращения РВД и РНД и по результатам анализа делают вывод о наличии дефекта.
Предлагаемый способ был реализован на заводском испытательном стенде. Для оценки состояния МРРП авиадвигателя АЛ-31ФП по предлагаемому способу были использованы МРРП с предварительно установленным техническим состоянием.
Пример 1
С вибропреобразователя - штатного бортового датчика МВ-27-1Г, установленного в горизонтальном направлении на промежуточном корпусе двигателя АЛ-31ФП, в котором установлен бездефектный МРРП, одновременно с сигналами частоты вращения РНД и РВД двигателя (n1 и n2) длительностью 20 секунд с частотой дискретизации 50000 Гц на установившемся режиме вращения РВД ~100% регистрируют вибросигнал. Затем строят усредненный спектр сигнала в мм/с с разрешением df=1 Гц. Значение сепараторной частоты межроторного подшипника рассчитывают по формуле (1)
rol
где d - диаметр тел качения, равный 8 мм;
c
d - диаметр сепаратора (делительной окружности, проходящей через центры тел качения), равный 125 мм;
1
n - частота вращения РНД, равная на данном режиме 165 Гц;
2
n - частота вращения РВД, равная на данном режиме 220 Гц.
Программно рассчитывают также значение разностных частот (n2-fc), (fc-n1), (2*fc-n1), (2*fc-n2), (2*n1-fc), а затем анализируют амплитудные уровни сепараторной частоты и амплитудные уровни частот вращения РВД и РНД.
Как видно на спектре вибросигнала, представленном на фиг.1, амплитуда сепараторной частоты (fc), полученной из расчета для данного режима вращения роторов, не превышает половину амплитудного уровня наибольшей по амплитуде частоты вращения РВД (n2) и составляет менее 2 мм/с, т.е. диагностируется удовлетворительное (бездефектное) состояние МРРП. Амплитудные уровни разностных частот при этом не выделяются из уровня шума.
Пример 2
Диагностика состояния межроторного подшипника двухвального газотурбинного двигателя АЛ-31ФП осуществлялась аналогично примеру 1, но с МРРП, у которого установлен развивающийся дефект в виде увеличения площади дефектных областей наружного кольца и стачивания роликов. В результате диагностики по предлагаемому способу развивающийся дефект МРРП подтвердился. Как видно из графика на фиг.2, амплитудный уровень сепараторной частоты межроторного подшипника превысил 2 мм/с, но не превысил половину амплитудного уровня наибольшей по амплитуде частоты вращения РНД. Амплитудные уровни разностных частот при этом не выделяются из уровня шума на спектре.
При выявлении развивающегося дефекта необходимо провести внеочередную проверку технического состояния МРРП по используемой в данное время регламентированной технологии (прибором «ВАДИМ», проверка биения и момента расцепки роторов) и взять данный двигатель под наблюдение.
Пример 3
2
Диагностика состояния межроторного подшипника двухвального газотурбинного двигателя АЛ-31ФП осуществлялась аналогично примеру 1, но с МРРП, у которого предварительно установлен развитый дефект наружного кольца и стачивания роликов, в предотказном состоянии. На графиках, представленных на фиг.3 и фиг.4, показан быстрый рост амплитуды сепараторной частоты из состояния, когда амплитудный уровень сепараторной частоты начинает превышать половину наибольшей по амплитуде частоты вращения РВД (n) (фиг.3), до состояния, значительного ее превышения над амплитудным уровнем частот вращения РВД и РНД (фиг.4). Как показано на фиг.4, проявляются также разностные частоты, что указывает на наличие развитого дефекта.
При выявлении развитого дефекта двигатель следует отстранить от эксплуатации и оценить характер неисправности подшипника при разборке двигателя.
Пример 4
Диагностика состояния межроторного подшипника двухвального газотурбинного двигателя АЛ-31ФП осуществлялась аналогично примеру 1, но с МРРП, у которого предварительно установлен дефект усталостного выкрашивания поверхности элементов подшипника и при частоте вращения РВД 80% его максимальной частоты. Как видно на графике, представленном на фиг.5, амплитудный уровень сепараторной частоты межроторного подшипника совпадает с частотой вращения гибкого вала, что снижает достоверность диагностики из-за возможности ошибочного принятия прочих составляющих спектра за частоту вращения сепаратора. Следовательно, во избежание недостоверности диагностики целесообразно производить оценку вибрации на установившемся режиме вращения РВД выше 90% от его максимальной скорости вращения.
Таким образом, предлагаемый способ диагностики технического состояния межроторного подшипника обеспечивает достоверность диагностики технического состояния МРРП двухвальных авиадвигателей, что позволит получить фактические данные о его реальном техническом состоянии и прогнозировать развитие дефектов.