СПОСОБ ВИБРОДИАГНОСТИКИ ДВУХВАЛЬНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИТАТЕЛЯ
METHOD OF CROSS-SHAFT GAS TURBINE ENGINE VIBRATION MONITORING

Изобретение относится к контролю технического состояния авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и может быть использовано для диагностики ГТД в процессе их эксплуатации в реальном времени.
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 расчетном определении по их значениям состояния ГТД. Данные методы основаны на том, что в процессе работы ГТД динамические процессы вызывают колебания корпуса, подшипников валов роторов, самих роторов, лопаток, установленных на роторах и пр. Для диагностирования узла ГТД измеряют вибрационный сигнал и по его анализу делают вывод о состоянии ГТД.
Известен способ диагностики технического состояния деталей, узлов и приводных агрегатов ГТД, включающий измерение и цифровую обработку вибросигналов с корпусных конструкций ГТД и приводных агрегатов с получением информации о техническом состоянии диагностируемых деталей, узлов и приводных агрегатов ГТД, причем измерение вибросигналов осуществляют дистанционно и бесконтактно посредством лазерного вибропреобразователя в приближенных к диагностируемым элементам информативных точках на поверхности корпусных конструкций ГТД и приводных агрегатов в пределах зон измерений, определяемых радиусом, преимущественно равным четверти длины изгибной волны в корпусных конструкциях, а цифровую обработку вибросигналов осуществляют с расчетом глубин модуляции на дискретных составляющих спектра огибающей вибрации в высокочастотном диапазоне колебаний корпусных конструкций ГТД и приводных агрегатов с получением информации о техническом состоянии диагностируемых деталей, узлов и приводных агрегатов ГТД, при этом перед измерениями вибросигналов лазерный вибропреобразователь размещают на оптимальном расстоянии перед зоной измерений и настраивают оптическую систему лазерного вибропреобразователя с фокусировкой луча лазерного излучения на одной из информативных точек на поверхности корпусных конструкций ГТД и приводных агрегатов вблизи диагностируемых деталей, узлов и приводных агрегатов ГТД в пределах зоны измерений, а перед измерением и цифровой обработкой вибросигналов предварительно проводят измерение и цифровую обработку вибросигналов при прокрутке двигателя для определения технического состояния подшипников в диагностируемых узлах ГТД и приводных агрегатах, а затем осуществляют измерение вибросигналов при запуске двигателя на режиме малого газа для определения технического состояния остальных деталей диагностируемых узлов ГТД и приводных агрегатов, включая ступени компрессоров низкого и высокого давления и соответствующих турбин, зубчатые приводы, редукторы, насосы, генераторы и регуляторы (см. патент РФ №2379645, кл. G01M 15/14, 2010 г.).
В результате анализа известного способа необходимо отметить, что он характеризуется весьма ограниченной областью использования. Данный способ невозможно использовать в полете, так как он требует специальных мест контроля на корпусе двигателя и проведения исследований в лабораторных условиях при снятии двигателя с крыла. В этом случае отсутствует оперативность и требуется большое время для установления текущего состояния двигателя. Кроме того, необходимость выбора «информативных точек», которая весьма субъективно, снижает точность диагностирования.
Известен способ вибродиагностики ГТД путем измерения и регистрации значений вибросигнала и частоты вращения ротора двигателя на переходных режимах, сравнения измеренного и заданного значений вибросигнала для характерных частот вращения и определения технического состояния двигателя по отклонению измеренного значения вибросигнала от эталонного, причем дополнительно измеряют и регистрируют значения вибросигнала и частоты вращения при регулировке топливной аппаратуры на минимальные и максимальные избытки топлива (см. а.с. СССР №1816986, кл. G01M 15/00, 1093 г.).
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что ему присуща нестабильность, так как вибрация зависит в том числе от степени прогрева двигателя и времени переходных процессов, причем для некоторых моделей двигателей в конце переходных режимов приемистости отмечается увеличение вибраций в течение 2…5 секунд. Изложенное выше снижает точность и надежность вибродиагностики, особенно в полете. Кроме того, для обеспечения диагностирования двухвальных ГТД данный способ требует доработки.
Известен способ диагностики технического состояния межроторного подшипника двухвального ГТД, включающий измерение штатным датчиком 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, причем измерение сигналов вибрации производят на установившихся режимах вращения РВД не менее 90% его максимальной частоты вращения, развитие дефекта определяют по достижении 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 достижении 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 значение сепараторной частоты межроторного подшипника рассчитывают по формуле
<mrow><msub><mi>f</mi><mi>с</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>d</mi><mi>с</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>d</mi><mrow><mi>r</mi><mi>o</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><msub><mi>d</mi><mi>с</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>n</mi><mn>2</mn></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>d</mi><mi>с</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>d</mi><mrow><mi>r</mi><mi>o</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><msub><mi>d</mi><mi>с</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
rol
где d - диаметр тел качения;
c
d - диаметр сепаратора (делительной окружности, проходящей через центры тел качения) (см., опубликованная заявка №2011130882, кл. G01M 13/04, 2013 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известного способа необходимо отметить, что для него характерен ограниченный диапазон диагностики подшипника по режимам работы двигателя (более 90% максимальной частоты вращения РВД), а также весьма узкая область применения, так как приведенная формула вычисления сепараторной частоты ориентирована на конкретный тип подшипника.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности и надежности диагностики ГТД за счет определения неисправности трансмиссии каждого ротора отдельно, а также состояния межвального подшипника двигателя в широком диапазоне режимов работы двигателя независимо от конструкции межвального подшипника.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе вибродиагностики двухвального газотурбинного двигателя, включающем измерение значений вибрации роторов, сравнение их с заданным допустимым значением вибрации и по результатам сравнения определение состояния газотурбинного двигателя, новым является то, что одновременно с измерением вибрации измеряют частоту вращения каждого ротора и выделяют значение вибрации каждого ротора в зависимости от частоты его вращения, причем дополнительно по значениям частот вращения каждого ротора определяют расчетное значение частоты вращения и снимают значение вибрации на данной частоте, которое сравнивают с выделенными значениями вибрации каждого ротора, а также с заданным допустимым значением уровня вибрации двигателя на данной частоте и по результатам каждого сравнения определяют состояние газотурбинного двигателя.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема устройства для осуществления заявленного способа вибродиагностики двухвального ГТД.
3
1
1
2
2
1
3
1
2
3
1
1
2
2
Устройство, реализующее способ вибродиагностики двухвального ГТД 1, содержит датчик 2 вибрации (В) роторов ГТД. Выход датчика 2 связан с входом блока 3 формирования значения вибрации в зависимости от частоты вращения роторов. Данный блок может быть выполнен в виде стандартных узкополосных фильтров - первого 4, второго 5 и третьего 6, первые два из которых настроены на текущую частоту вращения валов роторов, а третий фильтр настроен на частоту, определяемую по формуле: f=(K*n+K*n)/2, где n - частота вращения первого ротора, а n - частота вращения второго ротора, k и К заданные коэффициенты, или, например, по формуле: f=(К*n/К*n).
Выход датчика 2 связан с первыми входами фильтров 4, 5, 6. Выходы фильтров 4 и 5 через усилители с заданными коэффициентами усиления, соответственно, 7 и 8, связаны с первыми входами первого 9 и второго 10 блоков сравнения. Выход фильтра 6 связан со вторыми входами блоков сравнения 9 и 10 и с первым входом третьего блока сравнения 11, со вторым входом которого связан задатчик 12 заданного допустимого значения уровня вибрации. Выходы блоков сравнения 9, 10, 11 связаны с информационным блоком 13. Устройство также содержит датчики 14 и 15 частоты вращения роторов ГТД. Датчики 14 и 15 связаны соответственно со вторыми входами фильтров 4 и 5, а также через усилители 16 и 17 с заданными коэффициентами усиления - с входами вычислителя 18 частоты, на которую настроен третий фильтр 6. Выход вычислителя связан со вторым входом третьего фильтра 6.
Устройство скомпоновано из известных блоков и элементов.
В качестве блока 13 сигнализации может быть использован известный блок звуковой, речевой сигнализации или световое табло, размещенное в кабине пилота.
Датчики 2, 14, 15 являются стандартными.
В качестве блоков сравнения 9, 10, 11 могут быть использованы широко известные логические блоки «И/ИЛИ».
В качестве усилителей 7, 8, 16, 17 могут быть использованы стандартные усилители.
3
1
1
2
2
3
1
1
2
2
В качестве вычислителя 18 может быть использован стандартный процессор, реализующий функцию f=(K*n+K*n)/2 или функцию f=(К*n/К/*n).
Заявленный способ, посредством описанного выше устройства, реализуют следующим образом.
В процессе работы ГТД посредством датчика 2 снимают значение вибрации роторов, а посредством датчиков 14 и 15 - частоту вращения роторов двигателя, соответственно f(n1) и f(n2).
1
1
2
2
Сигнал, характеризующий значение вибрации, с датчика 2 поступает на первые входы первого 4, второго 5 и третьего 6 узкополосных фильтров с плавающей частотой в зависимости от частот вращения роторов. На второй вход фильтра 4 поступают значения частоты вращения одного ротора, а на второй вход фильтра 5 - другого. В фильтрах 4 и 5 из общего спектра частот вибрации, измеряемой датчиком 2, выделяются значения амплитуд вибрации B(fn) и B(fn) на частотах, на которые настроен в конкретный момент времени каждый фильтр 4 и 5. Данные фильтры в каждый момент времени настраиваются на частоту, соответствующую частотам вращения роторов двигателя.
3
3
3
3
3
Параллельно сигналы с датчиков 14 и 15 через усилители 16 и 17 поступают на входы вычислителя 18, где определяется частота f, на которую настраивается третий фильтр 6 по зависимости, приведенной выше. С выхода блока 18 сигнал (f), поступает на второй вход третьего фильтра 6, в котором выделяется амплитуда вибрации В(f) на частоте f по одной из приведенных выше зависимостей.
3
3
1
1
2
2
3
3
С выходов фильтров 4 и 5 выработанные сигналы через усилители 7 и 8 поступают на первые входы первого 9 и второго 10 блоков сравнения, на вторые входы которых поступает сигнал с третьего фильтра 6. В блоках 9 и 10 происходит сравнение значения В(f) со значением B(fn) или B(fn), усиленными в усилителях 7 и 8, в случае если амплитуда В(f) превышает сигналы с усилителей 7 и 8, вырабатываются сигналы, характеризующие неисправность подшипника, которые передаются на информационный блок 13.
3
3
Параллельно выходной сигнал с фильтра 6 поступает на первый вход третьего блока сравнения 11, на второй вход которого подается сигнал с задатчика 12 заданного допустимого значения уровня вибрации. В блоке 11 при превышения величины амплитуды В(f) заданного допустимого значения уровня вибрации вырабатывается сигнал, характеризующий неисправность подшипника, который передается на информационный блок 13.
Достоинством данного устройства является повышение точности и надежности диагностирования ГТД за счет постоянного диагностирования состояния трансмиссии каждого ротора и межвального подшипника, что позволяет своевременно определить неисправность в трансмиссии ГТД.