СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АВИАЦИОННЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 2014 года по МПК G01M15/14 

Изобретение относится к области измерительной технике, к способам диагностирования авиационных двигателей по изменению акустических и газодинамических параметров потока, протекающего через проточную часть авиационного газотурбинного двигателя (ГТД).

Известен способ диагностики технического состояния авиационного газотурбинного двигателя (патент РФ №2118810, МПК G01M 15/00, опубл. 10.09.1998), основанный на сравнении полей газодинамических параметров на срезе сопла бездефектного двигателя и двигателя с характерными дефектами. Способ заключается в том, что предварительно проводят испытание бездефектного ГТД до выработки им ресурса на установившихся режимах работы и на переменных режимах работы во времени, замеряют поля газодинамических параметров потока по всей площади среза сопла, создают банк данных в виде полей кардиограмм, которые соответствуют бездефектному состоянию элементов проточной части ГТД, рассчитывают тягу двигателя и создают банк данных тяги двигателя R, последовательно вносят характерные дефекты в отдельные элементы проточной части и замеряют поля газодинамических параметров потока - полного давления P*, статического давления P и температуры T* потока по всей площади среза сопла на тех же режимах работы двигателя, создают банк данных в виде полей кардиограмм, которые соответствуют этим дефектам, и банк данных расчетных значений тяги двигателя R, замеряют поля газодинамических параметров потока P*, P, T* диагностируемых новых или находящихся в процессе эксплуатации двигателей по всей площади среза сопла и соответственно рассчитывают значения тяги двигателя, сравнивают их с полями газодинамических параметров потока и расчетными значениями тяги двигателя эталонного двигателя соответственно на тех же режимах работы и соответственно выработанному ресурсу, по которым судят об отклонении газодинамических параметров потока и тяги диагностируемого двигателя от эталонного, при наличии отклонения сравнивают поля кардиограмм газодинамических параметров потока и тяги двигателя с полями кардиограмм газодинамических параметров и тяги дефектных двигателей, по которым определяют конкретный дефект в диагностируемом двигателе и его местонахождение.

Недостатком данного способа является недостаточная точность и достоверность диагностирования, так как используются не все возможности новейших методов и средств измерений.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении точности и достоверности диагностирования за счет определения дефекта по акустическим и газодинамическим параметрам.

Технический результат достигается тем, что в способе диагностики технического состояния авиационных газотурбинных двигателей, включающем испытание бездефектного ГТД до выработки им ресурса на установившихся режимах работы и на переменных режимах работы во времени, замер полей газодинамических параметров потока по всей площади среза сопла, создание банка данных в виде полей картограмм, которые соответствуют бездефектному состоянию элементов проточной части ГТД, рассчет тяги двигателя и создание банка данных тяги двигателя R, последовательное внесение характерных дефектов в отдельные элементы проточной части и замер полей газодинамических параметров потока - полного давления P*, статического давления P и температуры Т* потока по всей площади среза сопла на тех же режимах работы двигателя, создание банка данных в виде полей картограмм, которые соответствуют этим дефектам и банка данных расчетных значений тяги двигателя R, замер полей газодинамических параметров потока P*, P, T* диагностируемых новых или находящихся в процессе эксплуатации двигателей по всей площади среза сопла и соответственно расчет значений тяги двигателя, сравнение их с полями газодинамических параметров потока и расчетными значениями тяги двигателя эталонного двигателя соответственно на тех же режимах работы и соответственно выработанному ресурсу, по которым судят об отклонении газодинамических параметров потока и тяги диагностируемого двигателя от эталонного, при наличии отклонения сравнивают поля картограмм газодинамических параметров потока и тяги двигателя с полями картограмм газодинамических параметров и тяги дефектных двигателей, по которым определяют конкретный дефект в диагностируемом двигателе и его местонахождение, новым является то, что кроме вышеперечисленных газодинамических параметров потока - полного, статического давлений и температуры, одновременно на тех же режимах работы двигателя замеряют акустические параметры потока - уровень звукового давления по периферии среза сопла и одновременно осуществляют наряду со всеми вышеперечисленными действиями следующее: создают банк данных в виде полей картограмм уровней звукового давлений L, которые соответствуют бездефектному состоянию элементов проточной части ГТД, рассчитывают скорость и создают банк данных скорости W, после последовательного внесения характерных дефектов в отдельные элементы проточной части замеряют уровни звукового давления L по периферии среза сопла, создают банк данных в виде полей картограмм расчетных значений скорости W и уровней звукового давления L, которые соответствуют этим дефектам, замеряют уровни звукового давления L диагностируемых новых или находящихся в процессе эксплуатации двигателей, рассчитывают значения скорости и представляют их в виде полей картограмм, сравнивают их с полями картограмм уровней звукового давления L и расчетными значениями скорости эталонного двигателя соответственно на тех же режимах работы и соответственно выработанному ресурсу, по которым судят об отклонении уровней звукового давления L и скорости диагностируемого двигателя от эталонного, при наличии отклонения сравнивают поля картограмм уровней звукового давления L и скорости двигателя с полями картограмм уровней звукового давления L и скорости дефектных двигателей, конкретный дефект в диагностируемом двигателе его местонахождение и размер определяют по совокупности сравнительного анализа полей картограмм акустических и газодинамических параметров и расчетных значений тяги и скорости.

Характерные дефекты или совокупность различных дефектов вносят, как в отдельные элементы проточной части, так и одновременно в несколько элементов.

Замеры уровней звукового давления проводят в диапазоне от 16 до 20 кГц аэродинамического шума - акустических характеристик

Время безопасной работы двигателя вычисляют по следующему алгоритму:

- вычисляют скорость изменения определяющих параметров V_И (тренд) как отношение разности измеренных значений П_И и текущих П_Т, указанных в паспорте на изделие, к наработанному времени t в часах по формуле

- вычисляют время, через которое параметры достигнут предельного значения по формуле

,

где dV=V_И-V_Д,

П_Д - предельно допустимое значение параметра.

Сущность способа заключается в сравнения акустических и газодинамических параметров потока скорости и тяги испытуемого двигателя с акустическими и газодинамическими параметрами потока скоростью и тягой эталонного двигателя и с акустическими и газодинамическими параметрами потока скоростью и тягой двигателя с характерными и комбинированными дефектами проточной части. Такой способ позволяет повысить точность и достоверность диагностики технического состояния элементов проточной части ГТД, определения конкретного дефекта и его местонахождения и размер как при испытаниях на стенде, так и в аэродромных условиях для определения дефектов двигателей их местоположение и размер, находящихся в эксплуатации. Диагностирование двигателя на режиме холодной прокрутки, позволяет в процессе измерения более точно выявлять изменения акустических характеристик вращающихся узлов двигателя. При этом отсекаются фоновые шумы, генерируемые как выхлопной струей, так и элементами двигателя. Одновременно более точно по турбулентным следам дефекта определяется место положения дефекта и определяется его размер.

Преимущества заключается в нахождении ранее неизвестных дефектов и при дальнейших исследованиях определять их параметры и вносить в банк данных.

На фиг.1 представлена схема реализации способа.

На срезе сопла 1 ГТД расположен пилон 2 с датчиками 3 замера полного, статического давления и температуры. Пилон 2 установлен на кронштейнах 4 с возможностью вращения вокруг оси сопла 1. На пилоне 2 установлены 2 микрофона 5 для замера акустических параметров - уровня звукового давления, по периферии среза сопла 1. Установка для диагностики, кроме того, включает анализатор спектра 6, компаратор 7, аналогово-цифровой преобразователь 8, ЭВМ 9.

Способ диагностирования реализуется следующим образом:

Способ диагностики технического состояния авиационных ГТД, включает замер акустических и газодинамических параметров потока, причем акустических - уровней звукового давления, а газодинамических - полного, статического давлений и температуры. Предварительно проводят испытание бездефектного ГТД сначала на холодном режиме работы двигателя - «холодная прокрутка» проводя замеры уровней звукового давления микрофонами 5 в диапазоне от 16 до 20 кГц аэродинамического шума и одновременно замеряют поля газодинамических параметров потока (полное, статическое давление и температуру) датчиками 3 по всей площади среза сопла 1 до выработки двигателем ресурса на установившихся режимах работы и на переменных режимах работы во времени.

Измеренные микрофонами 5 уровни звукового давления по периферии сопла поступают на анализатор спектра 6. Одновременно замеренные значения газодинамических параметров по всему срезу сопла 1 поступают в компаратор 7 через аналогово-цифровой преобразователь 8, где преобразуются и поступают на ЭВМ 9.

Создают банк данных значений полей уровней звукового давления и полей газодинамических параметров бездефектного двигателя, которые хранятся в паспортной дискете - в виде полей картограмм, рассчитывают - скорость, тягу двигателя и, создают банк данных скорости W и тяги двигателя R.

Последовательно вносят характерные дефекты как в отдельные элементы проточной части так и создают разные системы дефектов и замеряют поля акустических параметров потока - уровней звукового давления L по периферии среза сопла 1 и газодинамических параметров потока - полного давления P*, статического давления P, температуры потока T* по всей площади среза сопла на тех же режимах работы двигателя. Создают банк данных в виде полей картограмм, которые соответствуют этим дефектам и банк данных расчетных значений скорости W, тяги двигателя R, и уровней звукового давления L.

Замеряют уровни звукового давления L по периферии среза сопла 1 и поля газодинамических параметров потока P*, P, T* диагностируемых новых или находящихся в процессе эксплуатации двигателей по всей площади среза сопла и соответственно рассчитывают значения скорости и тяги двигателя, сравнивают их с полями уровней звукового давления L и газодинамических параметров потока и расчетными значениями скорости и тяги эталонного двигателя соответственно на тех же режимах работы и соответственно выработанному ресурсу, по которым судят об отклонении уровней звукового давления L и газодинамических параметров потока, скорости и тяги диагностируемого двигателя от эталонного, совместно анализируются данные в ЭВМ 9. При наличии отклонения сравнивают поля картограмм уровней звукового давления L и газодинамических параметров потока, скорости и тяги двигателя с полями картограмм уровней звукового давления L и газодинамических параметров, расчетных скорости и тяги дефектных двигателей, по которым определяют конкретный дефект в диагностируемом двигателе его местонахождение и размер. Так же рассчитывают время безопасной работы:

Для прогнозирования состояния ГТД вычисляется время безопасной эксплуатации двигателя по следующему алгоритму:

- вычисляется скорость изменения определяющих параметров V_И (тренд) как отношение разности измеренных значений П_И и текущих П_Т, указанных в паспорте на изделие, к наработанному времени t в часах по формуле

- вычисляется время, через которое параметры достигнут предельного значения по формуле

,

где dV=V_И-V_Д,

П_Д - предельно допустимое значение параметра.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определять дефекты, как в новых, так и эксплуатируемых двигателях с большой точностью, так как для определения дефектов используются газодинамические и акустические параметры исследуемого ГТД в широком диапазоне режимных параметров.

Способ предназначен для испытания, доводки, диагностики и эксплуатации турбореактивных реактивных двигателей, а конкретно для диагностики технического состояния ГТД по акустическим и газодинамическим параметрам потока. Сравнивают поля акустических и газодинамических параметров потока скорости и тяги испытуемого двигателя с акустическими и газодинамическими параметрами потока скоростью и тягой эталонного двигателя и с акустическими и газодинамическими параметрами потока скоростью и тягой двигателя с характерными дефектами проточной части. Такой способ позволяет повысить точность и достоверность диагностики технического состояния элементов проточной части ТРДД, определения конкретного дефекта и его местонахождения и размер как при испытаниях на стенде, так и в аэродромных условиях для определения дефектов двигателей, находящихся в эксплуатации. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ диагностики технического состояния авиационных газотурбинных двигателей, включающий испытание бездефектного ГТД до выработки им ресурса на установившихся режимах работы и на переменных режимах работы во времени, замер полей газодинамических параметров потока по всей площади среза сопла, создание банка данных в виде полей картограмм, которые соответствуют бездефектному состоянию элементов проточной части ГТД, расчет тяги двигателя и создание банка данных тяги двигателя R, последовательное внесение характерных дефектов в отдельные элементы проточной части и замер полей газодинамических параметров потока - полного давления P*, статического давления P и температуры T* потока по всей площади среза сопла на тех же режимах работы двигателя, создание банка данных в виде полей картограмм, которые соответствуют этим дефектам и банка данных расчетных значений тяги двигателя R, замер полей газодинамических параметров потока P*, P, T* диагностируемых новых или находящихся в процессе эксплуатации двигателей по всей площади среза сопла и соответственно расчет значений тяги двигателя, сравнение их с полями газодинамических параметров потока и расчетными значениями тяги эталонного двигателя соответственно на тех же режимах работы и соответственно выработанному ресурсу, по которым судят об отклонении газодинамических параметров потока и тяги диагностируемого двигателя от эталонного, при наличии отклонения сравнивают поля картограмм газодинамических параметров потока и тяги двигателя с полями картограмм газодинамических параметров и тяги дефектных двигателей, по которым определяют конкретный дефект в диагностируемом двигателе и его местонахождение, отличающийся тем, что кроме вышеперечисленных газодинамических параметров потока - полного, статического давлений и температуры, одновременно на тех же режимах работы двигателя замеряют акустические параметры потока - уровень звукового давления по периферии среза сопла и одновременно осуществляют наряду со всеми вышеперечисленными действиями следующее: создают банк данных в виде полей картограмм уровней звукового давлений L, которые соответствуют бездефектному состоянию элементов проточной части ГТД, рассчитывают скорость и создают банк данных скорости W, после последовательного внесения характерных дефектов в отдельные элементы проточной части замеряют уровни звукового давления L по периферии среза сопла, создают банк данных в виде полей картограмм расчетных значений скорости W, и полей картограмм уровней звукового давления L, которые соответствуют этим дефектам, замеряют уровни звукового давления L диагностируемых, новых или находящихся в процессе эксплуатации двигателей, представляют их в виде полей картограмм и рассчитывают значения скорости, сравнивают их с полями картограмм уровней звукового давления L и расчетными значениями скорости эталонного двигателя соответственно на тех же режимах работы и соответственно выработанному ресурсу, по которым судят об отклонении уровней звукового давления L и скорости диагностируемого двигателя от эталонного, при наличии отклонения сравнивают поля картограмм уровней звукового давления L и скорости двигателя с полями картограмм уровней звукового давления L и скорости дефектных двигателей, конкретный дефект в диагностируемом двигателе, его местонахождение и размер определяют по совокупности сравнительного анализа полей картограмм акустических и газодинамических параметров и расчетных значений тяги и скорости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что характерные дефекты или совокупность различных дефектов вносят как в отдельные элементы проточной части, так и одновременно в несколько элементов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что замеры уровней звукового давления проводят в диапазоне от 16 до 20 кГц аэродинамического шума - акустических характеристик

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что время безопасной работы двигателя вычисляют по следующему алгоритму:
- вычисляют скорость изменения определяющих параметров V_и (тренд) как отношение разности измеренных значений П_и и текущих П_т, указанных в паспорте на изделие, к наработанному времени t в часах по формуле
$$V_{И}=\frac{\left({П}_{И}-{П}_{Т}\right)}{t}$$
- вычисляют время, через которое параметры достигнут предельного значения по формуле
$$T=\frac{\left({П}_{Д}-{П}_{И}\right)}{V_{И}+dV}$$ ,
где dV=V_И-V_Д,
П_д - предельно допустимое значение параметра.