СПОСОБ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ДВУХ ДАТЧИКОВ ВИБРАЦИЙ ДВУХКОНТУРНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD FOR MONITORING STATE OF AT LEAST TWO VIBRATION SENSORS OF BYPASS GAS TURBINE ENGINE

Область техники, которой относится изобретение
Изобретение относится к мониторингу состояния двухконтурного газотурбинного двигателя летательного аппарата, в частности, через мониторинг уровней вибраций в газотурбинном двигателе. Более конкретно, изобретение относится к мониторингу используемых для этой цели датчиков вибраций.
Уровень техники
Классически состояние газотурбинного двигателя контролируют при помощи самых разных датчиков. Среди них необходимыми являются датчики вибраций, так как они позволяют быстро обнаружить поломку детали, увеличение зазора или любую другую неисправность, которая может поставить под угрозу безопасность газотурбинного двигателя.
Двухконтурный газотурбинный двигатель классически содержит по направлению прохождения воздушного потока вентилятор, компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления и турбину низкого давления.
Известным решением для контроля вибраций газотурбинного двигателя является установка одного вибрационного датчика в передней части газотурбинного двигателя и другого вибрационного датчика в задней части газотурбинного двигателя.
Установленный таким образом, каждый из этих датчиков позволяет производить мониторинг уровней вибраций модуля низкого давления и модуля высокого давления (то есть ротора низкого давления и ротора высокого давления газотурбинного двигателя) через управляемые фильтры на режимах низкого давления и высокого давления.
Чтобы обеспечить надежность этого мониторинга уровней вибраций, необходимо убедиться, что датчики вибраций работают нормально, чтобы можно было сразу поднять ненормальные уровни вибраций газотурбинного двигателя.
Для осуществления такой проверки, как известно, состояние датчиков вибраций контролируют по критерию стабильности уровней вибраций, отслеживаемых во время фаз взлета и после полета.
Однако такая логика обнаружения имеет свои пределы, и часто делается ошибочный вывод о неисправности датчиков вибраций.
- фазы мониторинга не являются оптимальными, и часто уровни вибраций в этих фазах находятся ниже уровней обнаружения поломки датчика;
- во время работы при высокой температуре угловая скорость роторов газотурбинного двигателя является более высокой, чем во время работы при номинальной температуре, и в этом случае можно сделать вывод, что он находится в фазе мониторинга, при этом в ходе предусмотренной фазы уровни не регистрируются, тем более что они могут находиться ниже уровней обнаружения неисправности датчика.
Раскрытие сущности изобретения
По меньшей мере одной из задач изобретения является определение логики обнаружения неисправностей вибрационных датчиков, чтобы убедиться, что неисправными признаны датчики, которые действительно являются таковыми.
Для решения этой задачи изобретением предложен способ мониторинга состояния по меньшей мере двух датчиков вибраций двухконтурного газотурбинного двигателя, содержащего ротор низкого давления и ротор высокого давления, при этом датчик вибраций находится в передней части газотурбинного двигателя и датчик вибраций находится в задней части газотурбинного двигателя, причем каждый из датчиков выполнен с возможностью измерять вибрации роторов низкого давления и высокого давления в передней и в задней части газотурбинного двигателя, при этом способ осуществляют в блоке (20) обработки газотурбинного двигателя, взаимодействующим с каждым из датчиков, и он содержит следующие этапы:
- получение угловой скорости ротора низкого давления (NBP) и ротора высокого давления (NHP) газотурбинного двигателя, и, если указанные угловые скорости одновременно находятся в заранее определенных диапазонах,
- получение переднего и заднего уровней вибраций роторов низкого и высокого давления, зарегистрированных каждым датчиком;
- определение среднего для значений уровней вибраций роторов низкого и высокого давления, полученных за заранее определенное время получения;
- определение состояния указанных по меньшей мере первого и второго датчиков вибраций на основании сравнения определенных средних значений уровней вибраций роторов низкого и высокого давления с заранее определенными порогами.
Изобретение предпочтительно дополнено следующими отличительными признаками, рассматриваемыми отдельно или в любой из технически возможных комбинаций.
В ходе этапа получения способ содержит этап проверки угловых скоростей роторов низкого давления и высокого давления, при этом способ включает в себя прерывание получения уровней вибраций блоком обработки, если угловые скорости не находятся одновременно в заранее определенных диапазонах.
Определяемое среднее является средним значений получаемых уровней вибраций роторов низкого и высокого давления, определяемым для числа принятых значений, которое соответствует заранее определенному времени получения, при этом среднее можно определить моментально в ходе получения.
Способ отслеживает два датчика, при этом один датчик выполнен с возможностью измерения уровней вибраций ротора низкого давления и ротора высокого давления спереди газотурбинного двигателя, а другой выполнен с возможностью измерения уровней вибраций ротора низкого давления и ротора высокого давления сзади газотурбинного двигателя, при этом состояние датчика считается плохим, если средние значения уровней вибраций роторов низкого и высокого давления ниже заранее определенных порогов; и если для другого датчика средние значения уровней вибраций роторов низкого и высокого давления выше заранее определенных порогов.
Способ отслеживает четыре датчика, при этом два датчика спереди газотурбинного двигателя выполнены с возможностью измерять соответственно уровни вибраций роторов низкого и высокого давления спереди, и два датчика сзади газотурбинного двигателя выполнены с возможностью измерять соответственно уровни вибраций роторов низкого и высокого давления сзади, при этом состояние датчика уровней вибраций ротора низкого давления считается плохим, если среднее значение уровней вибраций ниже заранее определенного порога, и если для другого датчика среднее значение уровней вибраций выше заранее определенного порога; состояние датчика уровней вибраций ротора высокого давления считается плохим, если среднее значение уровней вибраций ниже заранее определенного порога, и если для другого датчика среднее значение уровней вибраций выше заранее определенного порога.
Способ включает в себя подтверждение хорошего или плохого состояния датчика, как только датчик показывает одинаковое состояние три раза подряд.
Например, заранее определенный вибрационный порог для ротора низкого давления составляет от 0,1 до 0,2 см/с, как правило, 0,16 см/с.
Например, заранее определенный вибрационный порог для ротора высокого давления составляет от 0,05 до 0,15 см/с, как правило, 0,10 см/с.
Заранее определенный диапазон для угловой скорости ротора низкого давления находится в пределах от 10500 об/мин до 13500 об/мин, и заранее определенный диапазон для угловой скорости ротора высокого давления находится в пределах от 14500 об/мин до 17500 об/мин.
Объектом изобретения является также двухроторный двухконтурный газотурбинный двигатель, содержащий блок обработки, выполненный с возможностью осуществления заявленного способа.
Изобретение имеет целый ряд преимуществ.
Обнаружение неисправностей является более надежным, чем при помощи известных решений.
Действительно, обнаружение происходит на более высоких (и, следовательно, более «вибрирующих») угловых скоростях, а необходимость подтверждать вычисление средних значений несколько раз позволяет более надежно определять реальность поломки датчика.
Следовательно, ложные выводы о поломке оказываются ограничены.
Существует возможность реабилитировать датчик, в отношении которого был сделан вывод о поломке.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки, задачи и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве иллюстративного и неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 схематично показан двухконтурный газотурбинный двигатель;
на фиг. 2 представлена принципиальная схема для осуществления заявленного способа;
на фиг. 3 показаны этапы заявленного способа.
На всех фигурах подобные элементы имеют одинаковые обозначения.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показан двухконтурный и двухроторный газотурбинный двигатель летательного аппарата, содержащий от входа к выходу по направлению прохождения газов (вдоль оси АА двигателя) капотированный вентилятор 1, кольцевое пространство I для потока первого контура и кольцевое пространство II для потока второго контура, ограниченное наружным корпусом 2 и внутренней обечайкой 3. В проточном тракте I первого контура газотурбинный двигатель содержит компрессор 11 низкого давления, компрессор 12 высокого давления, камеру 13 сгорания, турбину 14 высокого давления и турбину 15 низкого давления.
Таким образом, газотурбинный в своей передней и задней части (относительно направления прохождения потока газа) двигатель содержит ротор низкого давления и ротор высокого давления.
Как было указано выше во вступительной части, датчики вибраций расположены в передней части и в задней части для измерения вибраций роторов низкого давления и высокого давления.
Как схематично показано на фиг. 2, согласно варианту осуществления, датчик С1 позволяет измерять вибрации V1BP, V1HP роторов низкого давления и высокого давления спереди, а датчик С2 позволяет измерять вибрации V2BP, V2HP роторов низкого давления и высокого давления сзади.
Согласно этому варианту осуществления, только один датчик расположен сзади, и только один датчик расположен спереди, при этом каждый из них измеряет одновременно вибрации роторов низкого давления и высокого давления. Для этого необходимо производить фильтрацию получаемых вибраций, чтобы отделить вибрации, исходящие от ротора низкого давления, от вибраций, исходящих от ротора высокого давления.
В варианте можно предусмотреть четыре датчика: два спереди и два сзади. В этом варианте датчик С11 позволяет измерять вибрации V1BP ротора низкого давления спереди, датчик С12 позволяет измерять вибрации V1HP ротора высокого давления спереди, датчик С21 позволяет измерять вибрации V2BP ротора низкого давления сзади, и датчик С22 позволяет измерять вибрации V2HP ротора высокого давления сзади.
Такие датчики вибраций представляют собой, например, акселерометры.
Датчики могут быть расположены в нескольких местах газотурбинного двигателя. Например, для измерения вибраций перед ротором низкого давления датчик может быть расположен на уровне компрессора низкого давления. Чтобы измерять вибрации перед ротором высокого давления, датчик может быть расположен на уровне компрессора высокого давления. Для измерения вибраций за ротором высокого давления датчик может быть расположен на уровне турбины высокого давления. Для измерения вибраций за ротором низкого давления датчик может быть расположен на уровне турбины низкого давления.
Как было указано выше во вступительной части описания, эти датчики вибраций требуют постоянного мониторинга. Такой мониторинг осуществляют в блоке 20 обработки при помощи способа мониторинга состояния датчиков вибраций, описанного ниже со ссылками на фиг. 3.
Мониторинг состояния датчиков вибраций основан на использовании поступающих от датчиков вибрационных измерений в диапазонах угловых скоростей роторов низкого давления и высокого давления, для которых надлежащими являются соответствующие уровни вибраций.
Предпочтительно для мониторинга уровни вибраций регистрируют в течение периодов Т. Этот период Т должен быть достаточно высоким, чтобы иметь возможность определить среднее значение достаточно высоких измерений уровней вибраций (в случае исправного датчика), и, следовательно, должен быть выше порога обнаружения неисправного датчика. Действительно, статистически, чем больше время вычисления среднего значения, тем выше будет вычисленное минимальное среднее значение. Этот период Т должен быть также достаточно низким, чтобы система могла достаточно долго находиться в диапазонах обнаружения для обеспечения по меньшей мере 3 вычислений среднего значения в ходе полета. Предпочтительно этот период должен составлять от 60 до 120 с и предпочтительно равен 90 с.
В начале способа шаг n вычисления устанавливают на n=0 (этап Е0) и вычисляют время t=n·Δt (этап Е1), где Δt является продолжительностью регистрации уровней вибраций.
После этих различных инициализаций блок 20 обработки получает (этап Е2) угловые скорости ротора низкого давления NBP и ротора высокого давления NHP, и, если эти угловые скорости одновременно находятся в заранее определенных диапазонах, блок 20 обработки получает (этап Е3) уровни V1BP, V2BP, V1HP, V2HP вибраций от контролируемых датчиков вибраций.
Предпочтительно угловая скорость ротора низкого давления NBP и ротора высокого давления NHP находятся в следующих диапазонах:
- NBP = [10500; 13500] об/мин;
- NHP = [14500; 17500] об/мин.
Такие угловые скорости определяют, например, путем статистических исследований уровней вибраций, фактически наблюдаемых в двигателе при разных угловых скоростях. Следовательно, угловые скорости логики мониторинга выбирают в зависимости от значений вибраций относительно порога, и/или порог выбирают в зависимости от релевантности угловых скоростей, получаемых в результате статистического исследования.
В случае двух датчиков, то есть одного датчика спереди и одного сзади, каждый датчик С1, С2 считывает два уровня вибраций:
- передний датчик С1 считывает уровни вибраций низкого давления V1BP и высокого давления V1HP;
- задний датчик С2 считывает уровни вибраций низкого давления V2BP и высокого давления V2HP.
В случае четырех датчиков, то есть двух датчиков спереди и двух сзади, каждый датчик С11, С12, С21, С22 считывает уровень вибраций:
- передний датчик С11 считывает уровни V1BP вибраций ротора низкого давления;
- передний датчик С12 считывает уровни V1HP вибраций ротора высокого давления;
- задний датчик С21 сзади считывает уровни V2BP вибраций ротора низкого давления;
- задний датчик С22 сзади считывает уровни V2HP вибраций ротора высокого давления.
На основании полученных значений блок 20 обработки вычисляет (этап Е4) моментальное среднее значение каждого уровня вибраций следующим образом:
где i = {1, 2) и J = {BP, HP}.
Моментальное среднее значение вычисляют на каждом шаге n за период Т и на каждом шаге вычисления n инкрементируют на 1 (этап Е8). По истечении периода Т получают средние значения:
- М1BP, М1HP уровней роторов низкого давления и высокого давления, измеренных передним датчиком или передними датчиками;
- М2BP, М2HP уровней роторов низкого давления и высокого давления, измеренных задним датчиком или задними датчиками.
В альтернативном варианте среднее значение можно вычислить один раз, как только в течение общего периода Т будут считаны все значения уровней вибраций. Это значит, что значения сохраняются по мере считывания.
Дополнительно, чтобы убедиться, что угловые скорости роторов низкого и высокого давления действительно одновременно находятся в заранее определенных диапазонах, блок 20 обработки проверяет (этап Е2) перед каждым получением уровней вибраций значения угловых скоростей роторов низкого и высокого давления. Если это не так, блок 20 обработки прерывает (INT) (этап Е9) прием уровней вибраций для вычисления среднего значения. Однако, как только угловые скорости опять возвращаются в заранее определенные диапазоны, блок 20 обработки продолжает работу с места остановки.
Если усредненное число уровней вибраций соответствует периоду Т = 90с (этап Е5), блок 20 обработки определяет (этап Е6) состояние каждого датчика.
Состояние датчика получают на основании сравнения каждого среднего значения М1ВР, М1НР, М2ВР, М2НР с вибрационным порогом.
Порог низкого давления SBP обычно составляет от 0,1 до 0,2 см/с, предпочтительно равен 0,16 см/с.
Порог высокого давления SHP обычно составляет от 0,05 до 0,15 см/с, предпочтительно равен 0,10 см/с.
В данном случае эти различные пороги тоже определены в результате статистического исследования.
В случае двух датчиков состояние ESij датчика считают плохим, если средние значения уровней вибраций роторов низкого давления и высокого давления ниже порогов SBP, SHP соответственно; и если для каждого датчика средние значения уровней вибраций роторов низкого давления и высокого давления выше порогов SBP, SHP соответственно.
В альтернативном варианте в случае четырех датчиков состояние ESij датчика уровней вибраций ротора низкого давления считают плохим, если среднее значение уровней вибраций ниже порога SBP и если для каждого датчика среднее значение уровней вибраций ротора низкого давления выше порога SBP; состояние датчика уровней вибраций ротора высокого давления считают плохим, если среднее значение уровней вибраций ротора высокого давления ниже порога SHP и если для каждого датчика среднее значение уровней вибраций ротора высокого давления выше порога SHP.
На основании определенного состояния блок 20 обработки выдает подтверждение (этап Е7) хорошего или плохого состояния датчика, если только датчик показывает одинаковое состояние три раза подряд.
Следовательно, можно произвести реабилитацию датчика, состояние которого было подтверждено как плохое.