Способ повышения эффективности диагностирования предпомпажного состояния компрессора газотурбинного двигателя
ENHANCEMENT OF THE RELIABILITY OF DIAGNOSING THE SURGE STATE OF A GAS TURBINE COMPRESSOR

Предлагаемое изобретение относится к области двигателестроения и может найти применение в системах диагностики технического состояния газотурбинного двигателя (ГТД), в частности для диагностирования его предпомпажного состояния.
Помпаж - неустойчивый режим работы ГТД, при котором возникают автоколебания воздуха в компрессоре. Помпаж образуется вследствие срыва потока воздуха с рабочей поверхности лопатки компрессора, дальнейшего образования «вихревого течения», уменьшения эффективной площади сечения компрессора и последующего выброса воздуха на вход компрессора. Повторяющиеся пульсации давления в газовоздушном тракте приводят к росту температуры в камере сгорания, неравномерности поля давления и как результат - к увеличению динамической напряженности и вибрации всех элементов силовой установки. Предпомпажное состояние определяется по сопоставлению различных измеренных физических величин, определяющих режим работы ГТД, с предельно допустимыми значениями этих величин, характеризующих устойчивый режим работы двигателя. Известны способы и устройства диагностирования помпажа ГТД, позволяющие обнаружить начало срыва по резкому падению давления за компрессором, разности давлений на выходе компрессора и его входе, а также скорости изменения разности этих давлений. (Д.Д. Кудашев, В.П. Токарев. Диагностирование помпажа газотурбинного двигателя). Известные способы позволяют диагностировать помпаж в момент его возникновения.
Известен способ диагностирования предпомпажного состояния ГТД, при котором предварительно определяют диагностическую частоту, в качестве которой принимают частоту вращающегося срыва, в процессе испытаний измеряют сигнал с вибропреобразователя, установленного на корпусе компрессора двигателя, в спектре которого ищут составляющую на диагностической частоте, по наличию которой делают вывод о предпомпажном состоянии работы ГТД (Фирсов А.В., Посадов В.В. Опыт идентификации неисправностей газотурбинных двигателей с помощью узкополосного спектрального анализа вибрации //Контроль. Диагностика. 2011. № 12. С. 51-59).
По наличию в узкополосном спектре контролируемой вибрации субгармоники, не являющейся функцией частоты вращения, диагностируют как вращающийся срыв в ступени компрессора ГТД. Однако подобное проявление вибрации бывает и при других дефектах. Это делает известный способ не достаточно надежным.
,
Наиболее близким к предлагаемому является способ повышения эффективности диагностирования предпомпажного состояния компрессора газотурбинного двигателя, при котором предварительно определяют диагностическую частоту, в качестве которой принимают частоту вращающегося срыва, и задают пороговый уровень сигнала с вибропреобразователя на диагностической частотев процессе испытаний измеряют сигналы с вибропреобразователя и датчика пульсаций статического давления, установленных на корпусе компрессора двигателя, ищут в спектре сигнала с вибропреобразователя составляющую на диагностической частоте и составляющую в спектре сигнала с датчика пульсаций давления, вывод о предпомпажном состоянии двигателя делают при достижении амплитудой сигнала с вибропреобразователя на диагностической частоте порогового уровня и наличии составляющей в спектре сигнала с датчика пульсаций (В.С. Чигрин, С.В. Епифанов, Ф. Мохаммадсадеги Исследование методов обнаружения неустойчивых режимов работы осевых компрессоров с использованием анализа вибраций //Восточно-европейский журнал передовых технологий. Прикладная механика, № 6/7 (78). 2015. - С. 28-34).
В наиболее близком способе предпомпажное состояние диагностируют по достижению в спектре вибрации амплитудой составляющей на диагностической частоте, за которую принимают частоту вращающегося срыва, порогового уровня и наличию в спектре пульсаций давления потока составляющей на частоте следования рабочих лопаток.
Появление в спектре вибрации составляющей на частоте близкой к диагностической частоте предпомпажного состояния и прогрессирование с наработкой ГТД ее уровня может являться признаком касания торцами рабочих лопаток о корпус, масляного голодания или полного отсутствия подачи масла в гидравлический демпфер демпферных или упруго-демпферных опор роторов. Кроме того, эту субгармонику, в спектре вибрации может генерировать дефектный сепаратор упорного подшипника ротора.
Поэтому для диагностики дополнительно используют информацию с датчика пульсаций давления потока. Вращающийся срыв является газодинамическим процессом и при наличии, например, дефекта касания ротора о статор составляющая на диагностической частоте сохранится только в спектре вибрации, а в спектре пульсаций давления потока ее не будет. Однако использование для диагностики составляющей на частоте следования лопаток в спектре пульсаций давления потока в известном способе не подтверждает информацию с датчика вибрации. Кроме того использование ее для диагностики требует расширения частотного диапазона измерительной аппаратуры, что затратно и трудоемко.
Кроме того недостатком является возможность не задиагностировать помпаж выше определенной частоты вращения ротора, на которой признаки предпомпажного состояния по известному способу могут отсутствовать, а возникновение помпажа возможно.
Известный способ не позволяет определить предпомпажное состояние и вовремя принять меры по предотвращению его последствий, а возникновение помпажа может привести к разрушению деталей компрессора. Таким образом, известный способ не достаточно надежен, т.к. возможна постановка ложного диагноза.
Технической задачей изобретения является создание способа повышения эффективности диагностирования предпомпажного состояния газотурбинного двигателя, направленного на устранение недостатков, отмеченных у прототипа.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности диагностирования предпомпажного состояния газотурбинного двигателя, исключение возможности поломок деталей компрессора при проведении испытаний и снижение трудоемкости способа за счет ограничения диапазона частот вращения ротора, в котором выполняют диагностику, использования для диагностики в спектре вибрации дополнительной составляющей на удвоенной диагностической частоте и сужения частотного диапазона измерения пульсаций, в котором для диагностики ищут составляющую на диагностической частоте.
,
в отличие от известного,
Технический результат достигается тем, что в способе повышения эффективности диагностирования предпомпажного состояния компрессора газотурбинного двигателя, при котором предварительно определяют диагностическую частоту, в качестве которой принимают частоту вращающегося срыва, и задают пороговый уровень сигнала с вибропреобразователя на диагностической частотев процессе испытаний измеряют сигналы с вибропреобразователя и датчика пульсаций статического давления, установленных на корпусе компрессора двигателя, ищут в спектре сигнала с вибропреобразователя составляющую на диагностической частоте и составляющую в спектре сигнала с датчика пульсаций давления, вывод о предпомпажном состоянии двигателя делают при достижении амплитудой сигнала с вибропреобразователя на диагностической частоте порогового уровня и наличии составляющей в спектре сигнала с датчика пульсаций, перед испытаниями по предварительно определенному максимальному значению частоты диапазона неустойчивой работы компрессора задают частоту вращения ротора, до которой в процессе испытаний измеряют сигналы с вибропреобразователя и датчика пульсаций статического давления,ищут в спектре сигнала с датчика пульсаций давления составляющую на диагностической частоте и дополнительно ищут в спектре сигнала с вибропреобразователя составляющую на удвоенной диагностической частоте, вывод о предпомпажном состоянии двигателя делают при наличии в спектре сигнала с датчика пульсаций давления составляющей на диагностической частоте и при наличии в спектре сигнала с вибропреобразователя составляющей на удвоенной диагностической частоте.
Для повышения надежности диагностики в процессе испытаний дополнительно измеряют сигналы, по меньшей мере, с двух тензорезисторов, предварительно установленных на статорных деталях компрессора двигателя, в спектрах которых ищут составляющие на диагностической частоте, при их наличии делают вывод о предпомпажном состоянии двигателя.
Для повышения надежности диагностики в качестве статорной детали для установки тензорезистора используют лопатку направляющего аппарата компрессора двигателя.
Изобретение поясняется фигурами, на которых изображены:
фиг.1 - спектр сигнала с вибропреобразователя при возникновении вращающегося срыва;
фиг.2 - спектр сигнала с датчика пульсаций статического давления при возникновении вращающегося срыва;
фиг.3 - спектр сигнала с вибропреобразователя в процессе развития вращающегося срыва;
фиг.4 - два спектра сигнала с двух тензорезисторов при возникновении вращающегося срыва.
Способ осуществляют следующим образом.
д
Перед началом испытаний расчетным путем определяют диагностическую частоту f, в качестве которой используют частоту вращающегося срыва для потенциально неустойчивой ступени компрессора, Частоту вращающегося срыва определяют, например, по формуле (Фирсов А.В., Посадов В.В. Опыт идентификации неисправностей газотурбинных двигателей с помощью узкополосного спектрального анализа вибрации // Контроль. Диагностика. 2011. № 12. С. 51-59):
где f - частота вращающегося срыва (частота субгармоники);
рк
Z - число рабочих лопаток рабочего колеса в ступени компрессора;
на
Z - число лопаток направляющего аппарата в ступени компрессора;
- относительный диаметр втулки у лопаток в ступени компрессора.
По результатам предварительно проведенных экспериментальных исследований ГТД того же типа задают:
- пороговый уровень амплитуды сигнала с вибропреобразователя на диагностической частоте;
- максимальную частоту вращения ротора, до которой выполняют диагностику. Максимальную частоту вращения ротора определяют по предварительно определенному максимальному значению частотного диапазона неустойчивой работы компрессора ГТД. Диапазон неустойчивой работы компрессора ГТД определяют по результатам расчетных и экспериментальных исследований запасов его газодинамической устойчивости (Кампсти Н. Аэродинамика компрессоров: Пер. с англ. - М.: Мир, 2000. - С. 503).
р
В процессе стендовых испытаний ГТД измеряют сигнал с вибропреобразователя, установленного на корпусе компрессора двигателя, и сигнал с датчика пульсаций статического давления, установленного на корпусе компрессора вблизи исследуемой ступени компрессора. Измерение сигналов выполняют при увеличении частоты вращения ротора f не превышая заданного максимального значения.
Для диагностирования предпомажного состояния может использоваться штатный вибропребразователь, используемый для контроля вибрационного состояния ГТД при всех видах испытаний и устанавливаемый на корпусе двигателя в плоскости крепления узлов подвесок двигателя и в плоскостях расположения опоры ротора, имеющего непосредственную силовую связь с корпусом двигателя.
д
д
д
Выполняют спектральный анализ динамических сигналов с вибропреобразователя и датчика пульсаций статического давления. В спектре сигнала с вибропреобразователя ищут составляющую на диагностической частоте f и следят за изменением ее уровня и составляющую на удвоенной диагностической частоте 2f (фиг.1). В спектре сигнала с датчика пульсаций давления ищут составляющую на диагностической частоте f (фиг.2).
Вывод о предпомпажном состоянии двигателя делают при наличии:
д
д
- в спектре сигнала с вибропреобразователя составляющей на диагностической частоте f, уровень которой достиг предварительно заданного порогового уровня, и составляющей на удвоенной диагностической частоте 2f,(фиг.3);
д
- и в спектре пульсаций давления потока составляющей на диагностической частоте f (фиг.2).
Снижают режим работы двигателя и выполняют его останов.
д
Для повышения надежности диагностики предварительно устанавливают, по меньшей мере, два тензорезистора вблизи исследуемой ступени компрессора на статорных деталях ГТД, в качестве которых, например, используют лопатки направляющего аппарата компрессора ГТД. В процессе стендовых испытаний одновременно с измерением сигналов с вибропреобразователя и датчика пульсаций статического давления дополнительно измеряют сигналы с тензорезисторов. Дополнительно наличие в спектрах сигналов с тензорезисторов составляющих на диагностической частоте f(фиг.4) подтверждает вывод о предпомпажном состоянии двигателя.
Пример осуществления способа.
д
д
д
р
д
р мах
Предварительно определили значения частотывращающегося срыва (диагностические частоты f) для частот вращения ротора диапазона диагностирования. По результатам экспериментальных испытаний ГТД задали пороговый уровень сигнала с вибропреобразователя на диагностической частоте f, равный 18 мм/с (при большем уровне сигнала наступал помпаж), и определили диапазон неустойчивой работы компрессора, максимальное значение которого приняли за максимальную частоту вращения ротора до которой необходимо выполнять диагностику предпомпажного состояния двигателя. Диапазон диагностирования включал диагностическую частоту f, частоту вращения ротора f и удвоенную диагностическую частоту 2fи был ограничен частотойf= 500 Гц.
д
д
д
При проведении стендовых испытаний одновременно измеряли сигнал с вибропреобразователя, установленного на корпусе ГТД в штатном месте измерения и контроля вибрационного состояния двигателя, и сигнал с датчика пульсаций статического давления, установленного на корпусе компрессора. В спектре сигнала с вибропреобразователя выполняли поиск составляющих на частоте f и частоте 2f, а в спектре сигнала с датчика пульсаций давления потока - поиск составляющей на частоте f.
р
д
д
д
д
В результате, на частоте вращения ротора f=19122 об/мин в спектре сигнала с вибропреобразователя присутствовали составляющие на частоте f=207,6 Гц с уровнем вибрации 9,2 мм/с и частоте 2f=415,2Гц (фиг.1). При этом в спектре сигнала с датчика пульсаций статического давления на указанном режиме работы присутствовала составляющая на диагностической частоте f с уровнем 0,1 бар (фиг.2). Ее наличие в спектре сигнала с датчика пульсаций статического давления подтверждало, что составляющая на диагностической частоте f в спектре вибрации имеет газодинамическое происхождение.
д
д
д
При достижении в спектре вибрации амплитудой составляющей на частоте f порогового уровня 18 мм/с, наличии в спектре вибрации составляющей на частоте 2f(фиг.3) и одновременном наличии в спектре сигнала с датчика пульсаций статического давления составляющей на частоте f (фиг.2) сделали вывод о предпомпажном состоянии двигателя.
д
Дополнительно с измерением пульсаций статического давления измеряли сигналы с двух тензорезисторов, установленных на лопатках направляющего аппарата компрессора. В спектрах этих сигналов также присутствовала составляющая на диагностической частоте f с уровнями 1,1 кгс и 0,9 кгс (фиг.4), что подтвердило предпомпажное состояние компрессора ГТД. Снизили режим работы и остановили ГТД.
Предложенный способ повышает надежность диагностирования предпомпажного состояния ГТД, исключает возможность поломок деталей компрессора при проведении испытаний и снижает трудоемкость его технической реализации.