УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ДЕТАЛЕЙ, УЗЛОВ И ПРИВОДНЫХ АГРЕГАТОВ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

На фиг.1 изображена структурно-функциональная блок-схема устройства диагностики технического состояния деталей, узлов и приводных агрегатов ГТД.
Ниже приведены примеры результатов лазерной диагностики узлов ГТД в процессе наземных запусков в составе ВС.
На фиг.2 приведено сравнение спектров вибрации разделительного корпуса ГТД АИ-25, измеренные пьезоакселерометром и лазером в диапазоне частоты сопряжения шестерен привода топливного насоса (3954 Гц).
На фиг.3 показан спектр огибающей вибрации ГТД АИ-25 с развивающимся дефектом шестерни привода топливного насоса (частота вращения 124 Гц).
На фиг.4 изображен спектр огибающей вибрации ГТД АИ-25 с дефектной лопаткой третьей ступени КНД (глубина модуляции 17%).
На фиг.5 показан прямой спектр вибрации ПКП Д30-КУ в диапазоне частот вращения роторов.
На фиг.6 показан спектр огибающей вибрации ПКП Д30-КУ (дефект вала привода ЗКП).
На фиг.7 представлен спектр огибающей вибрации при отсутствии дефекта ЗКП Д30-КУ.
На фиг.8 показан спектр огибающей вибрации ЗКП Д30-КУ.
На фиг.9 показан спектр вибрации (разбаланс ротора генератора ЗКП Д30-КУ).
На фиг.10 приведен низкочастотный спектр вибрации разделительного корпуса Д30-КУ.
На фиг.11 показан высокочастотный спектр вибрации корпуса центрального привода вертолетного двигателя ТВ3-117.
На фиг.12 приведен низкочастотный спектр вибрации корпуса центрального привода вертолетного двигателя ТВ3-117.
На фиг.13 показаны совмещенные спектры огибающей вибрации дефектного и бездефектного центрального привода вертолетного двигателя ТВ3-117.
На фиг.14 показаны спектры огибающей вибрации корпуса вертолетного главного редуктора (Д16).
в
На фиг.15 выполнено сравнение спектров огибающих вибраций дефектного (верхний спектр) и бездефектного (нижний спектр) подшипников. F - частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу.
На фиг.16 приведена фотография дефектного подшипника с трещиной внутреннего кольца (после разборки дефектного узла).
Устройство для диагностики технического состояния деталей, узлов и приводных агрегатов ГТД по полезной модели включает: лазерный вибропреобразователь 1, например LV-2 производства ООО "ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА" (г.Новосибирск, http://www.sinor.ru/~mkl/firma.html); аналогово-цифровой преобразователь 2, например, в виде модулей общего назначения Е14-140 или Е 14-440 фирмы L-Card (http://www.lcard.ru/ext.php3); блок 3 быстрого преобразования Фурье вибрации; блок 4 сглаживания и установка номинальных пороговых значений в прямом спектре вибрации; постоянное запоминающее устройство 5 (ПЗУ), например, в виде флэш-памяти Secure Digital или Memory Stick (http://www.technocity.ru/catalog/catalog.php?ID=905 или http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/app/memory/mmc.htm; блок 6 полосовой фильтрации входной вибрации; блок 7 выбора исходных данных и
параметров для определение характерных частот вибрации механизмов; блок 8 определения огибающей вибрации; блок 9 быстрого преобразования Фурье огибающей вибрации; блок 10 сглаживания и установки пороговых значений в спектре огибающей вибрации; блок 11 выделения дискретных составляющих над порогом номинальных значений в спектре вибрации; блоки 12 выделения дискретных составляющих над порогом номинальных значений в спектре огибающей вибрации; блок 13 определения оборотов первичного вала по тахосигналу; блок 14 анализа выделенных дискретных составляющих по спектру вибрации; блок 15 анализа выделенных дискретных составляющих по спектру огибающей вибрации; блок 16 оценки технического состояния диагностируемых деталей, узлов и приводных агрегатов ГТД.
Предпочтительный вариант устройства, реализующего предлагаемый способ по изобретению, содержит: лазерный вибропреобразователь 1, который измеряет виброскорость, выход которого соединен с входом АЦП 2, выход которого соединен с входом быстрого преобразования Фурье вибрации 3, выходы которого соединены с входами блока 4 сглаживания и установки номинальных пороговых значений в прямом спектре вибрации, блока 11 выделения дискретных составляющих над порогом номинальных значений в спектре вибрации и блока 6 полосовой фильтрации входной вибрации;
первый выход быстрого преобразования Фурье вибрации 3 соединен с входом блока 4 сглаживания и установки пороговых значений, выход которого соединен с входом блока 11 выделения дискретных составляющих над порогом номинальных значений в спектре вибрации, выход которого соединен с входом блока 14 анализа выделенных дискретных составляющих по спектру вибрации, выход которого соединен с входом блока 16 оценка технического состояния диагностируемого механизма;
второй выход быстрого преобразования Фурье вибрации 3 соединен с входом блока 11 выделения дискретных составляющих над порогом номинальных значений в спектре вибрации;
третий выход быстрого преобразования Фурье вибрации 3 соединен с входом блока 6 полосовой фильтрации входной вибрации, выход которого соединен с входом блока 8 определения огибающей вибрации, выход которого соединен с входом быстрого преобразования Фурье огибающей вибрации 9;
выходы быстрого преобразования Фурье огибающей вибрации соединены с входами блока 12 выделения дискретных составляющих над порогом номинальных значений в спектре огибающей вибрации и блока 10 сглаживания и установки пороговых значений в спектре огибающей вибрации;
выход блока 10 сглаживания и установки пороговых значений в спектре огибающей вибрации соединен с входом блока 12 выделения дискретных составляющих над порогом номинальных значений в спектре огибающей вибрации, выход которого соединен с входом блока 15 анализа выделенных дискретных составляющих по спектру огибающей вибрации, выход которого соединен с входом блока 16 оценка технического состояния диагностируемого механизма;
выход постоянное запоминающее устройство 5 соединен с входом блока 7 выбора исходных данных и параметров для определение характерных частот вибрации механизмов;
первый выход блока 7 выбора исходных данных и параметров для определение характерных частот вибрации механизмов соединены с входом блока 14 анализа сигнала по спектру вибрации;
второй выход блока 7 выбора исходных данных и параметров для определение характерных частот вибрации механизмов соединены с входом блока 13 определения оборотов первичного вала;
третий выход блока 7 выбора исходных данных и параметров для определение характерных частот вибрации механизмов соединены с входом 15 анализа по спектру огибающей вибрации;
выходы блока 13 определения оборотов первичного вала соединены с входами блока 14 анализа по спектру вибрации и с входами блока 15 анализа выделенных дискретных составляющих по спектру огибающей вибрации.
Для подтверждения возможности реализации полезной модели был скомплектован измерительный тракт с использованием лазерного вибропреобразователя и выполнен комплекс работ по бесконтактной вибродиагностике авиационных ГТД и приводных агрегатов как под крылом самолета и на вертолете при запусках на режимах малого газа, так и на заводских стендах с целью выявления зарождающихся и развивающихся дефектов износа деталей, узлов и приводных агрегатов ГТД.
В качестве объекта испытаний в АП «Пулково» оценивалось состояние роторов компрессоров по вибрации разделительного корпуса и приводных агрегатов авиадвигателей Д-30КУ-154 в составе самолетов ТУ-154М, включающих: переднюю коробку приводов (ПКП); заднюю коробку приводов (ЗКП); гидронасос НП - 89Д; маслонасос откачки MHO - 30К; насос ОМН-30; насос ДЦН-44 ПЗ-Т; насос регулятор HP-30КУ; генератор ГТ40ПЧ6.
Измерение вибрации и диагностика технического состояния вышеуказанных узлов и агрегатов ГТД выполнялось в процессе запуска двигателей на малом газу. Измерительная головка с объективом лазерного преобразователя закреплялась на штативе, который позволял направлять лазер на корпус диагностируемого узла двигателя, у которого были раскрыты створки капота мотогондолы.
Для фиксации точки измерения вибрации на корпусе контролируемого агрегата в состав оптической схемы включали лазер подсветки с длиной волны 0.63 мкм в видимой области спектра, луч которого был полностью совмещен с лучом инфракрасного лазера.
Степень развития дефектов деталей, узлов и приводных агрегатов ГТД оценивалась по росту таких относительных параметров как суммарный коэффициент модуляции в прямом и преобразованном спектрах вибрации, а также учитывался характер изменения уровней виброскорости диагностируемых агрегатов на частотах вращения их валов и высших гармониках.
При вибродиагностировании стационарных ГТД, редукторов и объемных насосов был накоплен большой опыт по разделению всех выявляемых дефектов на три группы: слабые (зарождающиеся), средние (развивающиеся) и сильные (при которых резко сокращается остаточный ресурс работы агрегата), различающиеся по глубине модуляции в выбранных полосах частот. Для зубчатых передач и шестеренных насосов при слабом дефекте суммарный коэффициент глубины не должна превышать 10%, при среднем-25%, при сильном-40%.
z
i
вр
На фиг.2 приведено сравнение спектров вибрации разделительного корпуса ГТД АИ-25, измеренных пьезоакселерометром и лазером в диапазоне частоты сопряжения шестерен привода топливного насоса (3954 Гц). Сравнение показывает, что лазерный виброметр позволил выявить дефект шестерни (Z=32 зуба) привода топливного насоса. Признаком этого дефекта является наличие в спектре вибрации в районе частоты зацепления шестерни (f=3954 Гц) двух боковых составляющих, с частотами f=f(z32±1) Гц.
В то же время в спектре вибрации, измеренном акселерометром, отсутствуют явные признаки дефекта этого привода. Это связано с
наличием антирезонанса массы пьезоакселерометра на жесткости тонкостенной корпусной конструкции в диапазоне частоты 3954 Гц.
На фиг.3 приведен спектр огибающей вибрации, выделенный в диапазоне частоты зацепления, который позволяет оценить степень развития дефекта шестерни по глубине модуляции. Она составляет 15%, что соответствует развивающемуся дефекту шестерни.
кнд
вр
На фиг.4 видно, что в спектре огибающей вибрации (выделенной в полосе частот, содержащей четвертую гармонику лопаточной частоты третьей ступени КНД f=2650 Гц) наблюдается амплитудная модуляция с частотой вращения ротора КНД f=109 Гц и кратными гармониками (1, 2, 4, 5 гармоники). Это свидетельствует о развивающемся дефекте лопатки третьей ступени диска компрессора. Суммарный коэффициент модуляции составляет 17%.
В АН «Пулково» было обследовано 15 авиадвигателей ГТД Д-30КУ-154М.
Спектр огибающей вибрации передней коробки двигателя ПКП выявил дефект боя шлицевого вала привода ЗКП (фиг.6). В прямом спектре вибрации проявляется модуляция зубцовой частоты шестерни Z=35 привода шлицевого вала частотой вращения этого вала. Глубина модуляции 37,5% соответствует сильному дефекту.
На фиг.7 приведен спектр огибающей бездефектной ЗКП.
На фиг.8 приведен спектр огибающей вибрации задней коробки привода ЗКП, на котором проявляется бой ротора ВД, связанный с ухудшением взаимной центровки валов КВД и ТВД.
Бездефектный спектр огибающей вибрации ЗКП выглядит аналогично спектру, приведенному на фиг.7.
Прямой спектр вибрации ЗКП (фиг.9) показывает повышенный дисбаланс ротора генератора (V=12,7 мм/с), поскольку, как правило,
виброскорость на частоте вращения ротора генератора обычно не превышает 1-3 мм/с.
В прямом спектре вибрации двигателя №2 (фиг.10) видно взаимное влияние роторов ВД и НД, выражающееся в модуляции частоты вращения ротора ВД (и его 2 и 3 гармоник) частотой вращения ротора НД, что может быть связано с наличием люфтов в шлицевых соединениях роторов ВД и НД. Такой дефект может привести к взаимному перекосу валов и ускоренному износу межвального подшипника. Следует сказать, что уровни вибрации на частоте вращения валов КВД и КНД не превышают величины 1,23 мм/с, что соответствует нормальному состоянию ГТД, однако необходимо данный двигатель взять под наблюдение.
По результатам вибродиагностики ГТД в АП «Пулково» выявлен сильный дефект, обусловленный боем шлицевого вала привода ЗКП.
Сравнение с результатами измерения спектра огибающей исправной ПКП показывает высокую разрешающую способность применяемого метода измерения высокочастотной вибрации лазерным преобразователем и анализа сигналов по спектру огибающей.
На одном из ВС выявлен развитый дефект- бой ротора КВД, а на другом ВС - повышенный дисбаланс ротора генератора, измеренный на его корпусе.
В качестве объекта испытаний в ОАО «СПАРК» проводилось вибродиагностирование левого и правого турбовальных двигателей в составе вертолета МИ 8-МТВ в процессе наземного запуска на режиме малого газа. Левый двигатель - после продления ресурса, а правый - после капитального ремонта. В процессе проведения испытаний лазерный вибропреобразователь крепился к створкам открытого кожуха двигателя и последовательно направлялся на корпуса двигателей в районе коробки приводов, опор компрессора и турбины.
На фиг.11 приведен прямой высокочастотный спектр вибрации левого двигателя, измеренный в районе передней опоры компрессора и рядом расположенного центрального привода. В спектре идентифицированы дискретные составляющие "лопаточных" частот всех ступеней компрессора.
Характерная особенность этого спектра заключается в том, что начиная со второй ступени все лопаточные частоты промодулированы частотой вращения валика центрального привода (281 Гц) и второй гармоникой. Также есть область сплошного спектра вибрации в полосе 22.5-25 кГц.
На фиг.12 представлен прямой низкочастотный спектр вибрации в этой же точке, где выделяются дискретные составляющие, обусловленные работой ступеней главного редуктора (15.7-73.2 Гц), а также свободной турбины (136.5 Гц) и вала турбокомпрессора (237.67 Гц). Также в спектре наблюдается составляющая небольшой интенсивности на частоте вращения валика центрального привода.
Основная диагностическая информация о состоянии левого двигателя содержится в спектре огибающей высокочастотной вибрации в вышеупомянутой полосе 22.5-25 кГц, приведенной на фиг.13. На этом графике сопоставлены спектры огибающей левого двигателя (с дефектным приводом), и правого (с бездефектным приводом).
Анализ спектра огибающей левого двигателя показывает развитый износ рессоры центрального привода и, возможно, опорных подшипников вала левого двигателя (глубина модуляции составляет 25%).
Таким образом, по низкочастотному спектру вибрации фактически не представляется возможным определить дефект валика центрального привода, в то время как по спектру огибающей выявляется полная картина дефектной детали и степень развития этого дефекта.
На фиг.14 представлен спектр огибающей вибрации корпуса главного редуктора вертолета, в котором диагностируется перекос осей в месте соединения вала свободной турбины и входной ступени редуктора.
В спектре огибающей проявляются составляющие с удвоенной частотой вращения вала свободной турбины и высшими гармониками. Глубина модуляции составляет 18%.
На фиг.15 показан спектр огибающей вибрации подшипникового узла с сильным дефектом (глубина модуляции составляет 43% на частоте перекатывания тел качения по трещине на внутреннем кольце). Разборка узла подтвердила выявленный дефект-трещину на внутреннем кольце подшипника (фиг.16).
Применение лазерной вибродиагностики агрегатов ГТД при использовании заявляемой полезной модели позволяет в процессе наземного запуска ГТД обеспечить достижение требуемого технического результата, а именно:
- выполнять фактическую оценку технического состояния всех вращающихся деталей ГТД и приводных агрегатов;
- прогнозировать развитие дефектов деталей и узлов ГТД и приводных агрегатов;
- локализовать технические неисправности и функциональные недостатки, выявленные с помощью традиционных методов технической диагностики, что позволит снизить риск съема ГТД с эксплуатации для замены только выявленного дефектного агрегата, детали или узла;
получить фактические данные о реальном состоянии ГТД для однозначного решения вопроса о необходимости ремонта или продления его моторесурса;
- повысить экономическую эффективность эксплуатации ГТД и приводных агрегатов за счет перехода от нормативного определения моторесурса к эксплуатации по реальному техническому состоянию ГТД
и приводных агрегатов с контролем технических параметров отдельных деталей и узлов.
Кроме того, для уточнения пороговых значений вибрации узлов ГТД возможно разработать систему организационно - технических мероприятий по подтверждению технических дефектов, выявляемых в процессе лазерной вибродиагностики, при последующих работах по дефектации и ремонту диагностируемых узлов ГТД на ремонтных заводах.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Система контроля авиадвигателя. Заявка 2272783, Великобритания, МКИ 5 F02С 9/46; Rolls-Royce plc., №9224330.2, опубл. 25.05.94.
2. Система контроля авиационного ГТД. Заявка 2262623, Великобритания, МКИ 5 F02С 9/26; Rolls-Royce plc., №9126781, опубл. 23.06.93.
3. В.А.Пивоваров. Диагностика летательных аппаратов и авиадвигателей. М., МГТУГА, 1995, стр.141-144.
4. Патент РФ №2249119 F02C 9/2, G01L 23/22 БИ N 12. дата публикации 2005.03.27.
5. Патент РФ №2068553, G01М 15/00, дата публикации 1996.10.27 (прототип).