| WO2003056284A2 | 2003-07-10 |
| SU741086A1 | 1980-06-15 | |||
| US20030045992A1 | 2003-03-06 |
| 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. |
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.