СПОСОБ КОНТРОЛЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДВИГАТЕЛЕЙ С МЕЖВАЛЬНЫМИ ПОДШИПНИКАМИ Российский патент 2001 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к области авиации, электроэнергетики, газовой и нефтяной промышленности, в частности к приводам газоперекачивающих агрегатов на газокомпрессорных станциях, а именно к способам диагностирования состояния двигателей ГТД с межвальными подшипниками в эксплуатации.

Изобретение служит для повышения безопасности работы системы, определения момента наступления особого контроля за работой системы. Развитие газовой промышленности [1] неразрывно связано со строительством и вводом в эксплуатацию мощных газопроводов, соединяющих газовые месторождения с промышленными районами страны.

В качестве основного энергетического оборудования компрессорных станций широко используется газотурбинный двигатель, предназначенный для привода центробежных нагнетателей. Вместе с тем использование газотурбинных установок связано с необходимостью диагностирования состояния ГТД.

Известны способы контроля состояния приводов - способы регистрации состояния соприкасающихся сред [2] , когда важную диагностическую информацию несет масло, которое используется для смазывания и охлаждения трущихся поверхностей (подшипников, шестерен и т. д.). Диагностический контроль осуществляется по наличию стружки и содержанию железа в масле. Используются сигнализаторы стружки, которые выдают сигнал при наличии в масле металлических частиц.

Так на американском двигателе GF-6 регистрируется количество и T^o масла, показания детекторов стружки и откачивающей магистрали, перепад давления на маслофильтре, параметры сигнализатора минимального давления масла. Однако в способе не определяются пороговые значения концентрации металлических частиц для нормального, повышенного износа.

Известен способ контроля состояния приводов двигателя, использующий [3] устройство для определения примесей в маслах автомобильных двигателей. Если в масле содержится вода или примеси, то его свойства как смазки и изолятора ухудшаются. Устройство представляет собой электрический зонд для измерения электрической проводимости масла без взятия пробы. Зонд снабжен печатной схемой и соединяется с электроизмерительной схемой, настроенной так, что при превышении допустимого уровня загрязнения выдается световой сигнал. Зонд соединен с омметром, имеющим измерительное устройство и далее с сигнализатором и сигнальной лампой.

Однако при данном способе не обнаруживаются металлические примеси в масле, определяются только качественные показатели надежности работы двигателей.

Известны способы контроля состояния приводов ГТД, когда применяются детекторы стружки. Сигнализатор электропроводности частиц [4] предназначен для определения наличия металлических частиц в смазочном масле. Сигнализатор имеет датчик контактного типа с рядом контактов. Выходной сигнал пропорционален числу контактов, которые одновременно замкнуты металлическими частицами. Имеет отстойник, куда помещен экранный фильтр; индикаторные цепи служат для сигнализации появления металлических частиц в масле.

Известен сигнализатор неисправности металлических подшипников [5], установленный в масляной магистрали. Датчик сигнализатора сообщается клапаном с насосом и расположен после насоса, перед фильтром. Масло входит в датчик, а выходит через клапан. Проводящие элементы чувствительны к наличию металлических частиц, которые содержатся в смазке. Проводники связаны с реле; предохранитель и переключатель связаны с обмоткой сигнального понижающего трансформатора. Сигнализатор имеет лампы красного и зеленого цвета (связанные с обмоткой трансформатора).

Однако в указанных способах контроля состояния приводов с использованием данных сигнализаторов отсутствуют параметры индикации примесей в масле. Для определения неисправности конкретного агрегата. Известен способ [6] контроля состояния приводов ГТД с помощью рентгеноспектрального анализа - метода определения в исследуемом веществе очень малых соединений (тысячные доли %) большинства химических элементов. Рентгеноспектральный анализ основан на использовании зависимости частоты излучения линий характеристического рентгеновского спектра элементов от их атомного номера и связи между интенсивностью этих линий и числом атомов, принимающих участие в их образовании.

На рентгенограмме регистрируется картина пространственного распределения дифракционного рассеяния рентгеновских лучей образцом. Это теневой снимок объекта в рентгеновских лучах, выявляющий макроскопическое строение инородных включений.

Анализ по спектрам поглощения применяется для определения тяжелых элементов в легких (нефти, маслах). Используется непрерывный рентгеновский спектр и определяется зависимость величины скачка поглощения от концентрации определяемого элемента в пробе. Если анализируемый образец характеризуется постоянным составом примесей, то рентгеновским фотометром сравнивают ослабление непрерывного реактивного спектра, прошедшего через анализируемый и стандартный образец.

Количественный рентгеновский анализ основан на предположении, что интенсивность линии характеристического спектра прямо пропорционально количеству атомов элементов в пробе - излучателей, помещенной под возбуждающий пучок рентгеновского излучения при флюоресцентном способе.

Источником информации о внутренних условиях, существующих в масляной системе привода и трансмиссии, является концентрация металлов, как продуктов износа в смазочном масле. Концентрации металла в масле очень нежелательны вплоть до его следов, что требует использования рентгеновского спектрометрического анализа, с помощью которого определяется концентрация металлов вплоть до 1/миллион части масла (1 ч/млн), 3 - 5 μ.

Возникновение и развитие дефекта в узлах трения сопровождается резким повышением концентрации металлов в смазочном масле в сравнении с концентрацией металлов при отсутствии дефекта. В последнем случае концентрация металлов в масле будет оставаться почти на постоянном уровне.

При определении количества металла (или их комбинации) и идентификации его с помощью рентгеновского спектрального анализа возможно выявить зарождающееся повреждение того или иного компонента смазочной системы по повышению концентрации металла выше нормальной, отвечающей отсутствию дефекта. Анализ нужно производить непрерывно в течение всего времени работы двигателя, что невозможно по многим причинам. Поэтому частота анализов должна быть компромиссом между частотой анализа для условий нормальных износов и частотой, отражающих историю развития повреждения отдельного механизма, например для ГТД и редукторов принята частота анализа проб масла, равная 10±2 ч.

Значение состава различных конструктивных сплавов, используемых для узлов и деталей масляной системы (подшипники, помпы, приводы и т.д.) позволяет получать необходимую информацию о виде поврежденных деталей. Сопоставление металлов, обнаруженных при анализе проб смазочного масла, отобранных при чрезмерных износах с комбинацией металлов, содержащихся в деталях узлов и других элементах масляной системы, дает представление о том, где возникло повреждение.

В способе [7], содержащем периодическое измерение количества металла в смазочном масле масляной системы в процессе работы двигателя, производят определение пороговых значений концентраций металлических частиц с предельно допустимой концентрацией, характеризующей состояние, повышенный износ трущихся элементов привода, оценку состояния двигателя.

Однако существующий способ по оценке содержания металлов в масле позволяя подтвердить разрушение двигателя, не прогнозирует начало разрушения, предотказное состояние.

Цель изобретения - повысить надежность приводов газоперекачивающих агрегатов за счет прогнозирования начала разрушения двигателей. Для решения указанной задачи в способе контроля и прогнозирования состояния газотурбинных двигателей, преимущественно двигателей с межвальными подшипниками, и на базе этих двигателей приводов газоперекачивающих агрегатов, включающем периодическое измерение уровня количества частиц железа в пробах смазочного масла масляной системы, подвергающихся воздействию соприкасающихся сред и трущихся поверхностей в процессе работы двигателя, определение пороговых значений концентрации железа в рабочем масле двигателя для нормального и повышенного износа, при измерении концентрации частиц железа С_ж в масле определяют пороговые значения концентрации железа в пределах С_ж = 1,8 - 2,0 г/т и при наличии дальнейшего роста С_ж при нормальном износе и увеличении вибрации прогнозируют предотказное состояние и устанавливают время наработки двигателя привода ГПА до предотказного состояния, равное 300 - 400 ч. При этом область предотказного состояния характеризует резкое повышение среднего значения (в 4 - 8 раз) и разброс измеренных значений концентрации железа выше 1,8 г/т, зависящий от смены масла, режима работы привода, ранее практически не влияющих.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, на которой изображен закон изменения концентрации металлов (С_ж, г/т) в масле в процессе наработки двигателя (τ, час), где I - период приработки узлов двигателя, II - линейная (в пределах допустимых значений) - нормальный износ поверхности, III - интенсивное увеличение среднего значения С_ж - прогноз предотказного состояния (разрушения, поломки), при этом комплексно учитывают появление вибрации приводов, включение сигнализации стружки в месте и делают вывод о возможности дальнейшей эксплуатации двигателя.

На фиг. 2 - блок-схема установки рентгеноспектрального анализа металлов. Схема включает 1 - рентгеновскую трубку, 2 - фильтр с исследуемым образцом масла 3 - пульт управления с цифровым индикатором табло; на фиг. 3 - 8 - графики изменения содержания железа в рабочем масле двигателей самолета в зависимости от наработки.

Оценка изменения содержания продуктов износа в рабочем масле МС-8П проводится по анализу этих изменений в эксплуатации двигателей, установленных на самолетах, с различной наработкой, т.е. оценивается характер изменения этого показателя. Известна типичная зависимость (фиг. 1) изменения содержания металлов в масле от времени наработки [7] включающая:
- период приработки узлов двигателя,
- нормальное изнашивание,
- интенсивное изнашивание, предшествующее разрушению какого-либо узла двигателя.

Определяется изменение содержания металлов в рабочем масле зависимости от наработки двигателя на этапах нормального и повышенного износа узлов трения, в том числе при постановке двигателей на особый контроль при появлении отклонений от показателей нормальной работы.

Отбираются пробы масла из двигателей, которые в процессе эксплуатации вышли из строя вследствие разрушения их узлов.

Для оценки нормального или повышенного износа пробы масла отбираются согласно рекомендуемым методикам [8] . На двигателях отбор проб масла МС-8П осуществляется через каждые (50±10) ч налета, не более чем через 15 мин после остановки двигателя, с проливом первой порции (в объеме 10 - 15 мл). При отборе проб масла фиксируется дата отбора, наработка двигателя, сорт масла, факты возможной замены масла, отмечаются повышенные вибрации или сигнал "Стружка в масле".

Пробы в пределах 15 часов с момента отбора анализируются на рентгеноспектральном приборе "Барс-3". В отобранных пробах определяется содержание железа в меди.

Выявлено, что наиболее информативным металлом для ГТД из всех определяемых на приборе "Барс-3" является железо, поэтому оценивается изменение его содержания в масле.

Результаты анализа наносятся на графики для оценки зависимости содержания железа в масле от наработки двигателя, т.е. C_ж = f(τ)
В качестве критерия состояния двигателя по показателям масла принимается возрастание содержания железа по времени эксплуатации двигателя. При этом рассматривается превышение полученной при анализе концентрации железа нормируемых значений (4 г/т - для постановки двигателя на особый контроль, 6 г/т - для снятия двигателя с эксплуатации).

Кроме того, оценивается характер изменения зависимости C_ж = f(τ) с учетом замены масла и появления признаков неправильной работы двигателя (вибрации, загорание сигнала "Стружка в масле" и др.). При выявлении заметного роста содержания железа в масле, в отдельных случаях в сочетании с другими показателями, делается вывод о вероятности выхода из строя узлов двигателя.

Изменение концентрации металла в масле C_ж в зависимости от наработки двигателя, предшествующее разрушению, наблюдается в виде двух типов:
- резкое увеличение C_ж до значений C_ПДК
- незначительное увеличение уровня концентрации металлов в пределах C_ж < 4,0 г/т, которая при достаточно большой наработке (свыше 2500 ч) резко возрастает.

Независимо от наработки и значений концентрации железа на участке нормальной эксплуатации поломке узлов предшествует заметное увеличение среднего значения содержания металла (железа), но не достигающее предельных значений C₁ = 4 г/т и C₂ = 6 г/т. В течение определенного времени содержание металла изменяется, увеличивается количество разброса, зависящее в частности от смены масла и режимов работы приводов (результаты изменений не выходят за допустимые пределы), что свидетельствует о повышенном износе деталей. В дальнейшем непосредственно перед поломкой в течение времени около 100-150 ч наблюдается интенсивное (в 4 - 8 раз) резкое увеличение концентрации железа (C_ж) до величины, превышающей допустимую концентрацию или меньшую, но сопровождающуюся повышенными вибрациями или сигналом "Стружка в масле".

Результаты анализов содержания железа в масле 1-го двигателя, представленные на графике фиг. 3, показали, как постоянное и небольшое содержание железа (≈ 1,0 г/т) в масле в период наработки до 2250 ч резко увеличилось при следующем отборе (т.е. через 50 ч) и превысило 10 г/т. Кроме того, при этом сработал сигнал "Стружка в масле". Двигатель был снят и при его разборке зафиксировано разрушение межвального подшипника. В этом случае наблюдалось резкое увеличение концентрации железа до величин, намного превышающих предельно допустимые концентрации (C_ПДК = 6,0 г/т) и разрушение узла двигателя наблюдалось при наработке, превышающей 2000 ч.

Изменение содержания металла в масле второго двигателя показано на фиг. 4. Из графика видно, что до наработки 1950 ч заметного изменения содержания металла в масле не наблюдалось, а уровень железа составлял 0,7 г/т и практически оставался постоянным. Однако в пробе масла, отобранной через следующие 50 ч, содержание железа увеличилось в 2 раза и достигло уровня 1,4 г/т. В последующих пробах масла содержание железа при наработке 2050 ч равнялось 2,3 г/т, при 2100 ч - 4,1 г/т, а при наработке 2150 ч достигало 9,4 г/т, что значительно превышало предельную нормируемую величину 6 г/т. После чего двигатель был снят с эксплуатации и при его разборке было выявлено разрушение межвального подшипника, что и явилось причиной равномерного (в 2 раза после каждого отбора) быстрого возрастания концентрация железа в пробах масла.

Изменения содержания железа в масле третьего и четвертого двигателя от наработки представлены на графиках фиг. 5 и 6 соответственно. Так, для 3-го двигателя (фиг. 5) постоянное и небольшое содержание железа (ниже 1 г/т) в масле в зоне наработки до 2750 ч периодически увеличивалось, приближаясь к 2 г/т. Затем с наработки, равной 3750 ч, концентрация железа резко стала увеличиваться и через 200 ч достигла величины 6,3 г/т, которая превышала ПДК. После этого двигатель был снят с эксплуатации.

Для 4-го двигателя содержание железа было практически постоянным (≈ 1,0 г/т) до наработки 3350 ч, затем концентрация железа увеличилась до 2 г/т. Эта величина несколько раз незначительно снижалась, а после 3800 ч работы двигателя содержание железа стало резко возрастать и за 150 часов увеличилось с 2 г/т до 6,5 г/т.

У 5-го двигателя изменение содержания железа было аналогично. С наработки 2400 ч его величина с 1 г/т начала постоянно увеличиваться, достигая в отдельных случаях величин, превышающих 4 г/т. При наработке двигателя 3450 ч концентрация железа стала равной 11,5 г/т, что стало причиной снятия двигателя.

Можно сделать вывод, что значения концентрации металлов, предшествующие разрушению двигателя, превышали значения ПДК и фиксировались при наработке свыше 2000 ч.

Кроме того, в данных исследованиях отмечено еще 2 характерных изменения содержания металлов в рабочем масле, когда двигатель разрушился при наработке 1000 ч и меньше. Эти данные изображены на графиках фиг. 7 и 8.

На фиг. 7 видно, что содержание железа в масле МС-8П достигло значительной величины 3 г/т при наработке двигателя 850 ч. При дальнейшей его работе концентрация железа в масле продолжала увеличиваться и в отдельных случаях превышала нормируемые величины 4 г/т и 6 г/т. Исключение составляли пробы, отбираемые непосредственно после замены масла в масляной системе.

При наработке двигателя 1100 ч концентрация железа в масле достигла величины 8,2 г/т, при этом зафиксированы повышенные вибрации. Содержание железа в этом случае не снизилось и после полной замены масла. Затем наблюдалось постепенное увеличение концентрации C_ж до величин, превышающих C_ПДК, при которых были зафиксированы повышенные вибрации при наработке двигателя 1100 ч. Этот случай изменения концентрации железа от наработки можно отнести к случаю II, характерному для 2-го двигателя. Двигатель был снят, и в результате его разработки было зафиксировано разрушение одного из его узлов.

Имело место разрушение межвального подшипника двигателя без достижения нормируемых величин (4 г/т и 6 г/т) - фиг. 8. В этом случае произошло одноразовое возрастание концентрации железа (5,4 г/т) уже при наработке 300 ч. Однако после замены масла эта величина снизилась до 3 г/т.

После этого происходило монотонное возрастание концентрации железа, хотя абсолютная ее величина не превысила нормируемого значения 4 г/т. Описанное изменение содержания железа в масле более интенсивно, чем при нормальной работе двигателя и совпало с появлением повышенных вибраций. После 800 ч наработки двигатель разобрали, и было обнаружено разрушение межвального подшипника.

Как видно из приведенных данных, первую и вторую группу двигателей, в которых произошло разрушение отдельных узлов, объединяет, то, что концентрация железа во всех случаях после постоянного и небольшого ее значения начинала увеличиваться, и за небольшой период (150...350 ч) достигло значений, превышающих ПДК.

Следовательно, если содержание железа в масле, отобранном из масляной системы двигателя, начинает увеличиваться, и этот процесс продолжается после достижения 2 г/т, то такой двигатель необходимо брать под контроль, т.к. это свидетельствует о работе двигателя с повышенным износом. Если после нескольких отборов масла уровень содержания в нем железа стабилизируется на величине ниже 2 г/т, тогда можно перейти к нормальной его эксплуатации. Кроме отбора проб в строго указанное регламентом время необходимо контролировать другие показатели, такие как частота замены масла в масляной системе, уровень вибрации и случаи срабатывания сигнализатора "Стружка в масле". Это позволит более правильно оценивать состояние двигателя по изменению содержания металлов в рабочем масле при его работе, оценивать время наработки двигателя до предотказного состояния и определение момента особого контроля за работой двигателя.

Используемая литература
1. Белоконь Н.Н., Поршаков Б.П. Газотурбинные установки на компрессорных станциях магистральных газопроводов. М.: Недра, 1969.

2. Биргер И.А. Техническая диагностика. М.: Наука, 1978. с. 189, 192.

3. Патент Франции N 2164975, F 16 N 29/00.

4. Патент Англии N 1314458, G 01 N 15/06.

5. Патент Англии N 1256291, F 16 N 29/00, G 01 P 13/00.

6. Блохин М.А. Методы рентгеноспектральных исследований. М., 1959.

7. Бюллетень N 205.0515.2 (512-БД-В). Оценка технического состояния двигателей по концентрации металлических примесей в масле, 1989. Прототип.

8. Инструкция по отбору проб масла на определение концентрации продуктов износа из систем смазки газотурбинных двигателей и редукторов летательных аппаратов гражданской авиации. ГосНИИ ГА, 1976.

Способ относится к области авиации, электроэнергетике, технике газовой и нефтяной промышленности газоперекачивающих станций. Способ контроля и прогнозирования состояния газотурбинных двигателей, преимущественно двигателей с межвальными подшипниками, включает периодическое измерение частиц железа в смазочном масле в процессе работы двигателя. При этом определяют пороговое значения концентрации металлических частиц железа для нормального износа С_ж = 1,8 - 2,0 г/т и при наличии дальнейшего роста С_ж оценивают время наработки двигателя до предотказного состояния, равное 300 - 400 ч. Такой способ обеспечивает при диагностировании состояния ГТД повышение безопасности работы двигателя и повышение качества обслуживания при эксплуатации двигателя. 8 ил.

Способ контроля состояния газотурбинного двигателя, включающий периодическое измерение частиц железа в смазочном масле масляной системы в процессе работы двигателя, определение пороговых значений концентрации железа для нормального и повышенного износа, отличающийся тем, что при измерении концентрации железа в масле определяют пороговое значение концентрации железа в пределах Сж = 1,8-2,0 г/т, и при наличии дальнейшего роста концентрации железа при нормальном износе и увеличении вибрации прогнозируют предотказное состояние и устанавливают время наработки двигателя до этого состояния, равное 300-400 ч.