Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND DEVICE FOR VIBRATION DIAGNOSIS AND FORECASTING SUDDEN ENGINE FAILURE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/123443
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to engine testing. During vibration diagnosis and the forecasting of sudden failure as a result of damage to the bearing between the rotors of a turbojet engine containing two rotors and one inter-rotor bearing, vibration signals from vibration speed and/or vibration acceleration sensors mounted at points on the engine housing where information can be obtained about the state of the inter-rotor bearing are converted into informational vibration signals. Values are calculated which show the correlation between the informational vibration signals and threshold values on diagnostic frequencies. In this calculation, vibration signals are transformed into a spectrum using a Fourier transform, and spectral analysis is used to identify in this spectrum maximum values on diagnostic frequencies in the form of combined rotor rotation frequencies and/or multiples of the rotor rotation frequencies, each maximum value corresponding to one of a plurality of threshold values. The technical result is that of reducing the risk of sudden engine failure by predicting the failure of an inter-rotor bearing.

Inventors:
IVANOV, Alexandr Vladimirovich (ul. Tvardovskogo, 20-299Balashikha, 143900, RU)
Application Number:
RU2013/000085
Publication Date:
August 14, 2014
Filing Date:
February 06, 2013
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
IVANOV, Alexandr Vladimirovich (ul. Tvardovskogo, 20-299Balashikha, 143900, RU)
International Classes:
G01M15/14
Domestic Patent References:
WO2003056284A2
Foreign References:
SU741086A1
US20030045992A1
Download PDF:
Claims:
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ.

1. Способ вибрационной диагностики и прогнозирования внезапного отказа двигателя, содержащего, по меньшей мере, два ротора и один межроторный подшипник (МРП), включающий этапы, при- которых вибросигналы датчиков, установленных на двигателе, информативных относительно состояния МРП, преобразуют в цифровые информационные вибросигналы, и вычисляют значения, показывающие корреляцию информационных вибросигналов и пороговых значений на диагностических частотах, и обнаруживают, является ли значение, показывающее корреляцию, больше порогового значения, прогнозирующую разрушение МРП, при этом при вычислении осуществляют преобразование вибросигналов в спектр, например, преобразованием Фурье, спектральным анализом выделяют в нем максимальные значения на диагностических частотах в виде комбинационных частот вращения роторов и/или кратных частотам вращения роторов, каждое из которых соответствует одному из множества по отношению к пороговым значениям, и корректируют указанные максимальные значения на погрешность вибродатчиков, преобразуя в значения, показывающие корреляцию, а на этапе обнаружения осуществляют прогноз разрушения МРП в течение установленного ресурса, если, по меньшей мере, одно из упомянутых значений корреляции больше порогового значения.

2. Способ по п.1 отличающийся тем, что при вибрационной диагностике и прогнозировании внезапного отказа вследствие разрушения межроторного подшипника авиационного турбореактивного двигателя, содержащего два ротора и один межроторный подшипник (МРП), в качестве комбинационных частот используют f)+ f2, 2 f2+ fi 5 f2- ft, 2 f2- fu 2 fr f2, 2 f)+ f2, в качестве кратных - 2f 2f2, 3 ft, 3f2, 4fi, 4f2, 5ft, 5f2, , 6f2, где ft - частота вращения ротора низкого давления, f2-4acTOTa вращения ротора высокого давления, и размещают пять датчиков виброскорости в точках корпуса турбореактивного двигателя, информативных относительно состояния МРП в виде двух групп, при этом одну группу в два датчика размещают на корпусе входного направляющего аппарата компрессора низкого давления, другую группу в три датчика - на промежуточном корпусе компрессора, причем каждая группа расположена в одном поперечном сечении корпусов в горизонтальном и вертикальном направлении перпендикулярно оси двигателя.

3. Способ по п.1 или п.2 отличающийся тем, что дополнительно включает этап формирования пороговых значений, при котором пороговые значения устанавливают предварительно статистическим анализом вибросигналов двигателей с работоспособными и дефектными МРП на диагностичексих частотах.

4. Способ по п.1 или п.2 отличающийся тем, что максимальные значения на диагностических частотах корректируют на погрешность датчика вибрации по амплитудно-частотной характеристике.

5. Способ по п.1 или п.2 отличающийся тем, что преобразуют в информационные и вычисляют значения вибросигналы датчиков виброскорости и/или виброускорения при прохождении двигателем всех режимов при частоте вращения роторов от 0 до максимальных значений.

6. Устройство для осуществления способа по п.1, выполненное, например, в виде электронно-вычислительного блока или специализированного программного обеспечения, загруженного в процессор, имеющее хранящиеся на нем команды, которые при их выполнении вызывают преобразование сигналов датчиков в цифровые информационные сигналы, дальнейшее их преобразование в спектр Фурье, выбор диагностических частот в виде комбинационных частот вращения роторов и/или кратных к частотам вращения роторов, фильтрацию информационных вибросигналов и выделение максимальных значений на диагностических частотах, коррекцию выделенных максимальных значений, сравнение скорректированных максимальных значений с пороговыми значениями и выбор значений больше пороговых.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что команды, определяющие коррекцию максимальных значений, корректируют максимальные значения на погрешность датчика вибрации следующим образом: выбранное максимальное значение на комбинационной или кратной частоте умножают на величину обратную чувствительности амплитудно-частотной характеристики собственно датчика вибрации на той же частоте.

Description:
Способ вибрационной диагностики и прогнозирования

внезапного отказа двигателя и устройство.

Область техники.

Изобретение относится к испытаниям двигателей, а именно касается способа и устройства для осуществления вибрационной диагностики и прогнозирования внезапного отказа двигателя, содержащего, по меньшей мере, два ротора и один межроторный подшипник (МРП), вследствие разрушения межроторного подшипника. Предшествующий уровень техники

Известен способ вибрационной диагностики межроторных подшипников двухвальных газотурбинных двигателей (ГТД), с помощью датчика вибрации, установленного на корпусе двигателя, вибросигнал датчика вибрации усиливают и преобразуют в амплитудные значения и среднеквадратичные значения, сравнивают уровень текущего во времени характеристического параметра с его допустимым (пороговым) уровнем. В качестве характеристического параметра используют соотношение амплитудного и среднеквадратичного значений вибросигнала, а в качестве допустимого уровня используют настроечные значения, устанавливаемые по тарировочной зависимости уровня характеристического параметра от соотношения амплитудных значений сигнала (патент РФ на полезную модель j 87798, опубл.2009).

Известен способ диагностики технического состояния деталей, узлов и приводных агрегатов газотурбинного двигателя (ГТД), при котором измеренные вибросигналы обрабатывают для получения информации о техническом состоянии деталей, узлов и приводных агрегатов ГТД. В качестве средства измерения вибросигналов используют лазерный вибропреобразователь с измерительной головкой, объективом и электронным блоком, а в качестве средства обработки вибросигналов - регистратор- анализатор с возможностью цифровой обработки вибросигналов (патент РФ на полезную модель Ν» 70005, опубл.2008)

Измерение вибрации и диагностика технического состояния узлов и агрегатов ГТД выполнялось в процессе запуска двигателя на малом газу. Степень развития дефектов деталей, узлов и приводных агрегатов оценивалась по росту таких относительных параметров как суммарный коэффициент модуляции в прямом и преобразованным спектрами вибрации, а также учитывают характер изменения уровней виброскрости диагностируемых агрегатов на частотах вращения их валов и высших гармониках.

В известных технических решениях при запусках двигателя на заводских стендах диагностика проводилась для выявления зарождающихся и развивающихся дефектов износа деталей, узлов и приводных агрегатов гтд.

Известен способ диагностики состояния двигателей, при котором предварительно подготовленную пробу вводят в спектральный источник света, регистрируют оптические сигналы излучения по двум или более измерительным каналам, преобразуют оптические сигналы в электрические, измеряют их, и определяют содержание элементов, находящихся в пробе отдельно в виде металлических частиц и в виде раствора. Полученные результаты используют для оценки состояния двигателя и его узлов. При осуществлении способа измеряют также количество частиц износа, строят корреляционную матрицу, выделяют главную компоненту, проводят факторный анализ и рассчитывают коэффициенты, позволяющие отделить диагностическую информацию от шумовой (заявка РФ N° 20061 19726, опуб. 2007).

Известные технические решения не позволяют при испытаниях прогнозировать внезапный отказ двигателя, содержащего, по меньшей мере, два ротора и один межроторный подшипник (МРП), вследствие разрушения межроторного подшипника.

Авиационные газотурбинные и/или турбореактивные двигатели, содержащие, по меньшей мере, два ротора и один межроторный подшипник (МРП), имеют статистику внезапных отказов двигателей вследствие разрушения МРП.

При этом все известные способы диагностики при испытаниях не выявляют дефекты МРП и двигатель даже с изначально дефектным МРП признаётся работоспособным.

Кроме этого, разрушение изначально работопригодного МРП может быть внезапным и вызвано дополнительными механическими нагрузками, возникающими, в частности из-за перекосов роторов при сборке.

Все известные способы ранее такие отказы не позволяют прогнозировать.

Разрушения МРП носят аварийный характер с тяжелыми последствиями, особенно для авиационного двигателя. Краткое описание изобретения

В основу изобретения положена задача повышения надежности эксплуатации двигателя, содержащего, по меньшей мере, два ротора и один межроторный подшипник (МРП). Техническим результатом является доэксплуатационное прогнозирование внезапного отказа двигателя вследствие разрушения МРП в течение установленного ресурса.

Поставленная задача решается тем, что способ вибрационной диагностики и прогнозирования внезапного отказа двигателя, содержащего, по меньшей мере, два ротора и один межроторный подшипник (МРП), включает этапы, при которых вибросигналы датчиков, установленных на двигателе, информативных относительно состояния МРП, преобразуют в цифровые информационные вибросигналы и вычисляют значения, показывающие корреляцию информационных вибросигналов и пороговых значений на диагностических частотах, и обнаруживают, является ли значение, показывающее корреляцию, больше порогового значения, прогнозирующую разрушение МРП, при этом при вычислении осуществляют преобразование вибросигналов в спектр, например, преобразованием Фурье, спектральным анализом выделяют в нем максимальные значения на диагностических частотах в виде комбинационных частот вращения роторов и/или кратных частотам вращения роторов, каждое из которых соответствует одному из множества по отношению к пороговым значениям, и корректируют указанные максимальные значения на погрешность вибродатчиков, преобразуя в значения, показывающие корреляцию, а на этапе обнаружения осуществляют прогноз разрушения МРП в течение установленного ресурса, если, по меньшей мере, одно из упомянутых значений корреляции больше порогового значения.

При вибрационной диагностике и прогнозировании внезапного отказа вследствие разрушения межроторного подшипника турбореактивного двигателя, содержащего два ротора и один межроторный подшипник (МРП), в качестве комбинационных частот используют f \ + f 2 , 2 f 2 + f f 2 - fi, 2 f 2 - f 2 f f 2 , 2 fj+ f 2 , в качестве кратных - 2f 2f 2 , 3 fi, 3f 2 , 4f 4f 2 , 5 f 5 f 2 , 6 f l s 6f 2 , где f) — частота вращения ротора низкого давления, f 2 -4acTOTa вращения ротора высокого давления, и размещают пять датчиков виброскорости в точках корпуса турбореактивного двигателя, информативных относительно состояния МРП в виде двух групп, при этом одну группу в два датчика размещают на корпусе ВНА компрессора низкого давления, другую группу в три датчика - на промежуточном корпусе компрессора, причем каждая группа расположена в одном поперечном сечении корпусов в горизонтальном и вертикальном направлении перпендикулярно оси двигателя.

Целесообразно, чтобы пороговые значения были установлены предварительно статистическим анализом вибросигналов двигателей с работоспособными и дефектными МРП на диагностических частотах.

Максимальные значения на диагностических частотах целесообразно скорректировать на погрешность датчика вибрации по амплитудно-частотной характеристике.

Кроме того, целесообразно, чтобы были преобразованы в информационные и вычислены значения вибросигналов датчиков виброскорости и/или виброускорения при прохождении двигателем всех режимов при частоте вращения роторов от 0 до максимальных значений.

В случае, если хотя бы одно из скоррелированных значений больше собственного порогового значения, прогнозируют внезапный отказ двигателя вследствие разрушения межроторного подшипника в течение установленного ресурса.

Поставленная задача решается также тем, что для осуществления способа вибрационной диагностики и прогнозирования внезапного отказа двигателя используется устройство, выполненное, например, в виде электронно-вычислительного блока или специализированного программного обеспечения, загруженного в процессор, имеющее хранящиеся на нем команды, которые при их выполнении вызывают преобразование сигналов датчиков в цифровые информационные сигналы, дальнейшее их преобразование в спектр Фурье, выбор диагностических частот в виде комбинационных частот вращения роторов и/или кратных к частотам вращения роторов, фильтрацию информационных вибросигналов и выделение максимальных значений на диагностических частотах, коррекцию выделенных максимальных значений, сравнение скорректированных максимальных значений с пороговыми значениями и выбор значений больше пороговых. Целесообразно, чтобы команды, определяющие коррекцию максимальных значений, корректировали максимальные значения на погрешность датчика вибрации следующим образом: выбранное максимальное значение на комбинационной или кратной частоте умножают на величину обратную чувствительности амплитудно-частотной характеристики собственно датчика вибрации на той же частоте.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием и фигурами, где : Фиг. 1- иллюстрирует схему размещения датчиков виброскорости и/или виброускорения в определенных местах корпуса двухротороного турбореактивного двигателя с МРП, представляющих информативный интерес о состоянии МРП

Фиг.2 - вид амплитудно-частотной характеристики собственно датчика вибрации

Фиг. 3- вид информационного сигнала с амлитудно- частотной характеристикой работающего двигателя, иллюстрирующего обнаружение на диагностической частоте значения ниже порогового

Фиг. 4- вид информационного сигнала с амлитудно- частотной характеристикой работающего двигателя, иллюстрирующего обнаружение на диагностической частоте значения выше порогового.

При осуществлении способа вибрационной диагностики и прогнозирования внезапного отказа двигателя, содержащего, по меньшей мере, два ротора и один межроторный подшипник (МРП), согласно изобретению, вибросигналы датчиков виброскорости и/или виброускорения, установленных в точках корпуса двигателя, информативных относительно состояния МРП, преобразуют в цифровые информационные вибросигналы. Указанными точками могут служить точки в сечении корпусов роторов, в частности роторов высокого и/или низкого давления и иные, определяемые для каждого типа двигателя.

Вычисляют значения, показывающие корреляцию информационных вибросигналов и пороговых значений на диагностических частотах в виде комбинационных частот вращения роторов и/или кратных к частотам вращения роторов.

В качестве комбинационных частот могут быть использованы, в частности частоты mf 2 ± kf в качестве кратных - kfi; mf 2 , где к = 1... 10, т= 1... 10.

Пороговые значения устанавливают предварительно статистическим анализом вибросигналов двигателей с работоспособными и дефектными МРП на диагностических частотах.

При вычислении осуществляют преобразование вибросигналов в спектр, например, преобразованием Фурье, и спектральным анализом выделяют в нем максимальные значения на диагностических частотах. Каждому максимальному значению информационного вибросигнала соответствует одно из множества по отношению к пороговым значениям. Указанные максимальные значения корректируют на погрешность вибродатчиков. Полученные значения показывают корреляцию с пороговыми значениями. Коррекция может быть выполнена, например, по амплитудно- частотной характеристике датчика данного вибросигнала.

Затем осуществляют обнаружение, является ли, по меньшей мере, одно из упомянутых значений корреляции больше порогового значения.

В случае, если хотя бы одно из скоррелированных значений больше своего порогового значения, прогнозируют внезапный отказ двигателя вследствие разрушения межроторного подшипника в течение установленного ресурса.

Для осуществления способа вновь изготовленный или отремонтированный двигатель, содержащий, по меньшей мере, два ротора и один межроторный подшипник (МРП), устанавливают на испытательный стенд для проведения предъявительских или приёмосдаточных испытаний перед отправкой в эксплуатацию.

Способ может быть осуществлен и на борту летательного аппарата, находящегося в эксплуатации без стендовой установки.

Аналоговые сигналы датчиков вибрации и датчиков частот вращения роторов двигателя вводят в устройство через плату аналогово-цифрового преобразования (АЦП) и проводят соответствующие вычисления и обнаружения.

Устройство может быть выполнено в виде электронно-вычислительного блока и/или специализированного программного обеспечения, зафуженного в процессор, компьютер. Выполнение управляющих команд вызывает преобразование сигналов датчиков в цифровые информационные сигналы, дальнейшее их преобразование в спектр Фурье, выбор диагностических частот в виде комбинационных частот вращения роторов и/или кратных к частотам вращения роторов, фильтрацию информационных вибросигналов и выделение максимальных значений на диагностических частотах, коррекцию выделенных максимальных значений, сравнение скорректированных максимальных значений с пороговыми значениями и выбор значений больше пороговых.

Лучший вариант осуществления изобретения.

Лучший вариант осуществления способа показан на примере осуществления вибродиагностики и прогнозирования внезапного отказа нового авиационного турбореактивного двигателя с двумя роторами и одним межроторным подшипником (МРП) при приёмосдаточных испытаниях.

Двигатель 4 (фиг.1) устанавливают на стенд (не показан) для приемо- сдаточных испытаний. Двигатель 4 содержит ротор 1 низкого давления (РНД), ротор 2 высокого давления (РВД), межроторный подшипник 3 (МРП), имеет корпус входного направляющего аппарата (ВНА) 5 компрессора низкого давления, промежуточный корпус 6 компрессора. На корпусах двигателя 4 в местах корпуса, представляющих информативный интерес о состоянии МРП, устанавливают пять вибрационных датчиков. Это могут быть известные датчики виброскорости и/или виброускорения.

Датчики устанавливают следующим образом.

Группу два датчика - датчик 7 и датчик 8- размещают на корпусе ВНА 5 компрессора низкого давления в поперечном сечении А-А в горизонтальном и вертикальном направлениях перпендикулярно оси двигателя, другую группу - датчик 9, датчик 10, датчик 1 1 - размещают на промежуточном корпусе 6 компрессора в поперечном сечении Б-Б в горизонтальном и вертикальном направлениях перпендикулярно оси двигателя. Каждая группа расположена в одном поперечном сечении ( фиг.1).

Включают двигатель и осуществляют работу двигателя на основных режимах: «Запуск двигателя- Малый Газ - Крейсерский- Максимальный- Малый Газ — Останов двигателя» во всём эксплуатационном диапазоне частот вращения роторов от 0 до 100%. Время работы на каждом режиме для достижения информативности вибросигнала, не менее 5 секунд.

Во время работы двигателя осуществляют непрерывную запись сигналов.

Полученные аналоговые сигналы датчиков вибрации поступают в устройство, выполненное, например, в виде электронно-вычислительного блока или специализированного программного обеспечения, загруженного в процессор. По имеющимся, хранящимся в нем командам, сигналы оцифровываются, оцифрованные информационные вибросигналы преобразуются в спектр преобразованием Фурье и спектральным анализом выделяются максимальные значения корреляции на диагностических частотах в виде комбинационных частот вращения роторов и/или кратных к частотам вращения роторов. В качестве комбинационных частот используют fi+ f 2 , 2 f 2 + f * i, f 2 - f 2 f 2 - f,, 2 f r f 2 , 2 f,+ f 2 , в качестве кратных - 2f 2f 2 , 3 f b 3f 2 , 4fj, 4f 2 , 5 f b 5 f 2 , 6 fi, 6f 2 , где fj - частота вращения ротора низкого давления, ^-частота вращения ротора высокого давления. Выбранные максимальные значения корректируют на погрешность датчика вибрации следующим образом: выбранное максимальное значение на комбинационной или кратной частоте умножают на величину обратную чувствительности, найденной по амплитудно-частотной характеристики собственно датчика вибрации на той же частоте (фиг.2). Полученные скорректированные максимальные значения являются значениями, показывающими корреляцию информационных вибросигналов и пороговых значений на диагностических частотах.

Каждое из полученных скорректированных максимальных значений сравнивают с собственным пороговым значением, которое предварительно установлено статистическим анализом вибросигналов двигателей с работоспособными и дефектными МРП для той же комбинационной и кратной частоты.

На фиг. 3 показано, что скорректированное значение виброскорости на частоте fi+f2 составляет х=0,791. Пороговое значение на этой частоте равно 9 (х п =9). Таким образом, обнаружено, что на указанной частоте значение меньше порогового.

Аналогичное сравнение были проведены на остальных комбинационных и кратных частотах.

В результате диагностики было обнаружено, что на всех комбинационных и кратных частотах скорректированные значения меньше пороговых, вследствие чего внезапный отказ двигателя из-за разрушения межроторного подшипника не прогнозируют. Двигатель работоспособен в течение установленного ресурса.

В другом аналогичном двигателе (фиг.4) было обнаружено, что скорректированное значение виброскорости на частоте fi-+-f * 2 составляет х=10,394. Пороговое значение на этой частоте равно 9 (х п =9). Таким образом, обнаружено, что на указанной частоте значение больше порогового.

Аналогичное сравнение проводят на остальных комбинационных и кратных частотах. В результате диагностики обнаружено, что на всех других комбинационных и кратных частотах скорректированные значения меньше пороговых. Однако, так как обнаружено одно из скорректированных значений больше собственного порогового значения, прогнозируют внезапный отказ двигателя вследствие разрушения межроторного подшипника. Двигатель не работоспособен в течение установленного ресурса.

Промышленная применимость

Предлагаемое изобретение может быть наиболее широко использовано для проведения предъявительских или приёмосдаточных испытаний авиадвигателей перед отправкой в эксплуатацию.