ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КОМПРЕССОР, СНАБЖЕННЫЙ МАРКЕРОМ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗНОСА, И СПОСОБ МОНИТОРИНГА ИЗНОСА, ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ ЭТОТ МАРКЕР Российский патент 2017 года по МПК F04D27/00 

Область техники

Изобретение относится к центробежному компрессору газовой турбины, снабженному маркером мониторинга износа, а также к способу измерения износа центробежного компрессора, использующего такой маркер.

Изобретение применимо, в частности, к газотурбинным двигателям вертолетов, конкретно к газотурбинным двигателям с одно- или двухступенчатыми компрессорами.

Эрозионному износу подвержены основные детали воздушного тракта двигателя, оборудованного, по меньшей мере, одним центробежным компрессором с радиальным воздухозаборником. Детали компрессора и наиболее подверженные эрозии зоны этих деталей считаются крыльчатка, в частности передние кромки основных лопаток; радиальный диффузор, в частности передние кромки и его лопатки; и крышка крыльчатки, в частности, на уровне изгиба крышки.

Изобретение относится, в частности, к области мониторинга исправного функционирования турбины, причем назначение этого мониторинга состоит в обнаружении эрозии, вызванной, как правило, проникновением посторонних тел в воздушный тракт, в частности песка.

Предшествующий уровень техники

Известное решение проблемы состоит в измерении эрозии компрессора на передней кромке основных лопаток крыльчатки, в частности, эндоскопией. В патентном документе FR 2 938 651 описан такой способ измерения износа передней кромки поворотной лопатки крыльчатки. На определенном расстоянии от передней кромки осуществляют метку, и это расстояние отслеживается эндоскопом, расположенным в поле видимости, включающем метку и часть передней кромки. Средства обработки изображений, представленных эндоскопом, позволяют сделать вывод о положении передней кромки относительно метки.

Между тем измерение отступления передней кромки основных лопаток крыльчатки сопряжено с большой неточностью и доступ к лопаткам затруднен без демонтажа двигателя. Более того, установка сигнализатора (temoin) на деталях вращения представляется трудновыполнимой ввиду высоких напряжений крыльчатки в режиме эксплуатации. При этом отсутствует надежная точка отсчета для измерения положения сигнализатора относительно передней кромки лопатки, когда она полностью подвержена эрозии.

В целом эти неопределенности относительно признаков износа деталей могут привести к ошибочному диагнозу в вопросе о состоянии деталей и преждевременному или запоздалому демонтажу двигателя. Такое отсутствие определенности не позволяет разработать целенаправленный режим обслуживания каждой детали.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения состоит в устранении вышеуказанных недостатков, в частности, оно направлено на осуществление точного измерения эрозии компрессоров без демонтажа двигателя, на разработку простой установки. С этой целью, хотя износ крышек компрессора не является критическим, что априори делает невозможным использовать их в качестве маркера, было отмечено, что установка сигнализатора в крышке может быть полезной для определения износа. Действительно, изгиб крышек подвержен эрозии и мониторинг этой эрозии посредством соответствующей маркировки обеспечивает такое определение износа не только крышек, но также сопряженных деталей компрессоров, в частности лопаток крыльчатки.

Для большей ясности, предметом предлагаемого изобретения является центробежный компрессор газовой турбины с радиальным воздухозаборником. Такой компрессор содержит крыльчатку, укомплектованную лопатками, и крышку истечения воздушного потока в лопатки. Крышка, которая покрыта абляционным материалом, имеет кольцевую зону изгиба по существу в срединной части. В этой зоне изгиба в абляционном покрытии механической обработкой выполнена, по меньшей мере, одна выемка маркировки определенной глубины, так называемый маркер. Предпочтительно, этот компрессор представляет собой первую ступень сжатия одно- или двухступенчатого газотурбинного двигателя.

Согласно предпочтительным признакам:

- по меньшей мере, две, предпочтительно, по меньшей мере, три группы, по меньшей мере, из двух, предпочтительно, по меньшей мере, из трех маркеров распределены вдоль зоны изгиба крышки;

- маркеры каждой группы имеют различную, количественно определенную начальную глубину;

- маркеры каждой группы могут быть расположены в линию в указанной зоне изгиба и их местоположение выбрано между меридианой, радиусом и наклонной линией между меридианой и радиусом;

- маркеры выбраны по форме между цилиндрической формой, предпочтительно выточка с кругообразным или продолговатым основанием, шаровым сегментом, формой конуса и пазом.

Изобретение относится также к способу мониторинга износа центробежного компрессора вышеописанного типа. В этом способе:

- механической обработкой, по меньшей мере, одной выемки определенной глубины в абляционном покрытии изгиба крышки выполнена, по меньшей мере, одна маркировка;

- эндоскопические осмотры осуществляют последовательно по времени;

- при каждом осмотре эндоскоп вводят в компрессор, при этом активный конец эндоскопа позиционируют напротив одного или нескольких маркеров для подачи сигнала изображения маркировок;

- обработка эндоскопического сигнала позволяет определить число остаточных маркировок, и критерий решения по демонтажу двигателя реализуется в зависимости от этого числа и сравнительных данных по износу.

Согласно предпочтительным вариантам осуществления:

- маркировки имеют различную глубину и разность между двумя ближайшими глубинами количественно определена в соответствии с измеренной степенью износа;

- маркировки равномерно распределены по окружности изгиба крышки, индивидуально или по группам, по меньшей мере, из двух маркировок, предпочтительно, по меньшей мере, из трех маркировок;

- сравнение между перечислениями оставшихся маркеров в ходе последовательных проверок позволяет определить величину скорости эрозии и степень износа крышки, а также путем экстраполяции на основе запомненных данных относительно корреляций износа между деталями компрессора данные по другим деталям компрессора;

- критерий решения сравнивает при каждом осмотре число оставшихся маркировок с критическим числом, установленным в зависимости от запомненных данных, и двигатель демонтируют для замены изношенных деталей, когда достигается критическое число.

Описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием неограничительных вариантов его осуществления со ссылками на фигуры чертежей, на которых:

Фиг.1 изображает вид в частичном разрезе газотурбинного двигателя вертолета, содержащего компрессор согласно изобретению;

Фиг.2 – частичный осевой вид крышки согласно изобретению, содержащей две группы из трех маркеров, расположенных в линию по радиусу и меридиане изгиба крышки;

Фиг.3 – общий осевой вид примера крышки согласно изобретению, содержащей три группы из трех маркеров, расположенных в линию по меридиане, и

Фиг.4 и 5 содержат изображения в разрезе и в изометрии трех маркеров одной из указанных групп, и

Фиг.6 изображает пример блок-схемы этапов реализации способа измерения износа согласно изобретению.

Детальное описание

Газотурбинный двигатель 100, показанный в разрезе с фиг.1, содержит по существу с осевой симметрией вокруг центральной оси Х’Х: центробежный компрессор 1; турбины 2 и 3 привода компрессора 1 и оси передачи мощности вертолета (винт, коробка передач и т.д.) посредством ходового вала 4; радиальный воздухозаборник 5 рубашки циркуляции 50 потока свежего воздуха F1 и камеру сгорания 6.

Для большей ясности, центробежный компрессор 1 содержит главным образом крыльчатку сжатия 10, снабженную лопатками 11 и питаемую воздухом F1, крышку 12, ограничивающую кольцевой канал, в котором перемещается поток F1, и радиальный диффузор 13 с лопатками 14.

В рабочем режиме воздушный поток F1 вначале всасывается в воздухозаборник свежего воздуха 2, затем сжимается между лопатками 11 крыльчатки и крышкой 12. Вслед за этим сжатый поток F1 выходит радиально из крыльчатки 10.

Таким образом, поток F1 проходит через радиальный диффузор 13, образованный на периферии компрессора 1, спрямляется изогнутыми лопатками 14 и направляется во входные каналы 60 камеры сгорания 6.

В рабочем режиме воздушный поток F1, в котором присутствуют посторонние частицы, например песчинки, разрушает основные детали компрессора: поворотные лопатки 11 крыльчатки, крышку 12 и лопатки 14 диффузора.

Чтобы измерить степень воздействия эрозии, крышку 12 механически обрабатывают таким образом, чтобы выполнить маркеры в выемке 14, как показано на фиг.2. В крышке 12, в ее центральной части, имеется кольцевая зона, образующая изгиб 12а. В этом изгибе 12а выполнена первая группа G1 из трех маркеров М1, М2 и М3. Маркеры группы G1 расположены в линию по меридиане 120 (представленной штриховой линией) изгиба 12а. Показан также другой пример расположения маркеров М1–М3. Здесь маркеры М1–М3 расположены в линию таким образом, что образуют группу G2 вдоль радиуса 121 (представлен штриховой линией) изгиба 12а.

Здесь маркеры имеют цилиндрическую форму с кругообразным основанием. Альтернативно возможны другие формы: выточка с продольным основанием, шаровой сегмент, форма конуса или паз.

В целом маркеры одной группы расположены достаточно близко друг от друга, менее 10 мм, чтобы быть способными претерпеть одинаковый тип эрозии. Кроме того, маркеры имеют максимальное отверстие меньше примерно 1 мм, так что они не могут быть закупорены проникновением посторонних тел, в частности песчинок.

Крышка 12 покрыта известным абляционным материалом толщиной несколько миллиметров, чтобы избежать контакта с лопатками, что оказалось бы вредным для исправного функционирования. Маркеры выполнены в этом абляционном материале механической обработкой.

Крышка представляет собой деталь, которая подвержена разрушению потоком F1, в частности изгиб 12а. На фиг.2 изгиб 12а образует разрушаемую эрозией зону, которая заштрихована относительно остальной части изгиба. Износ крышки и ее изгиба, в частности, не сказывается на исправном функционировании двигателя.

В общем осевом виде на фиг.3 пример крышки 12 согласно изобретению содержит три группы G3–G5 из трех маркеров каждая, идентичных описанным прежде маркерам М1–М3. Маркеры расположены в линию по меридиане 120 и группы G3–G5 равномерно распределены с разносом 120º по окружности изгиба 12а крышки 12. Альтернативно, маркеры М1–М3 могут быть расположены в линию по радиусу 121, как показано на фиг.2.

В примере маркеры имеют по существу цилиндрическую форму и различную глубину. Изображения в разрезе и в перспективе на фиг.4 и 5 показывают с большей точностью три маркера М1–М3 и соответственно их глубину Р1–Р3. Цилиндрические маркеры имеют многогранные стенки. Они следуют друг за другом с увеличивающейся глубиной. Расхождение по глубине между соседними маркерами является постоянным и количественно определенным: оно соответствует измеренной единице износа. В примере величина глубины составляет 0,2 мм, и соответственно глубина маркеров М1–М3 равна 0,2, 0,4 и 0,6. При осмотрах крышки , например, эндоскопией степень износа крышки находится между 0 и 0,2 мм, если не один из маркеров не исчез; между 0,2 и 0,4 мм, если исчез маркер М1; и между 0,4 и 0,6, если исчезает маркер М2.

При этом исчезновение маркера М2 приводит к проверке деталей компрессора, чтобы определить, что такая эрозия крышки показывает путем экстраполяции в зависимости от типа двигателя и профиля использования критическую эрозию лопаток крыльчатки. Такая критическая эрозия соответствует лимиту использования, что требует, следовательно, замены изношенных деталей.

Для корректировки величины износа крышки и, соответственно, других деталей может быть задействовано большое число маркеров по группам с меньшим показателем глубины, например 0,1 мм.

Блок-схема на фиг.6 предлагает пример последовательности этапов, которые могут быть осуществлены в рамках способа мониторинга износа компрессора согласно изобретению. В этом примере маркировки, в которых группы маркеров G3–G5 содержат «i» маркеров Mi, причем «i» равно или превышает 3, например равно 4 или 5, выполняют механической обработкой в абляционном покрытии изгиба крышки (этап 100). В целом механической обработкой могут быть выполнено больше трех групп.

Вслед за этим эндоскопические осмотры осуществляют последовательно во времени (этап 200), например после каждого отдельного задания продолжительностью Tj. При каждом осмотре эндоскоп вводят в компрессор, следуя предусмотренным направлениям движения, вплоть до позиционирования активного конца эндоскопа напротив каждой из трех групп G3–G5, в данном примере, и подачи сигналов изображения маркеров Mi.

Устройство обработки сигнала DTS получает эндоскопические сигналы. Затем устройство определяет число остающихся маркеров Nr по группам (этап 300) и реализует критерий решения CD по демонтажу двигателя в зависимости от этого числа. Результат реализации этого решения передается оператору.

При последовательно осуществляемых по времени осмотрах устройство DTS в зависимости от числа остающихся маркеров Nr и продолжительности Tj определяет скорость эрозии «Ve» и степень износа «Au» крышки и лопаток крыльчатки. Эти данные также запоминаются в устройстве обработки (этап 400).

С этой целью данные DATA также запоминаются в устройстве обработки относительно: распределения эрозии по крышке, корреляций износа в зависимости от конфигурации двигателей, по деталям компрессора, что позволяет экстраполировать износ лопаток крыльчатки, исходя из износа крышки, профили задач вертолета и гранулометрию проникших посторонний тел в зависимости от задач, предыдущие результаты «Ve» и «Au» касательно осмотренного двигателя, а также результаты «Ve» и «Au» двигателей в зависимости от условий их использования.

Критерий CD определяет критическое число остающихся маркеров «Nrc» и затем в зависимости от данных DATA и критического числа остающихся маркеров «Nrc» выводит число остающихся маркеров «Nr» по группам G3–G5 в терминах износа деталей, в частности лопаток крыльчатки (этап 500). Например, может случиться, что критическим является лишь число маркеров группы G2. Поскольку это число, по меньшей мере, равно двум для группы G4, то отсутствует необходимость демонтажа двигателя, даже если другие группы G3 и G5 имеют число маркеров, равное единице при осмотре. Таким образом, для каждого двигателя критическое число оставшихся маркеров «Nrc», по меньшей мере, равное единице, установлено для каждой группы маркеров.

При каждом осмотре определяют число оставшихся маркеров «Nr» по группам G3-G5. Если число «Nr» равно нулю, по меньшей мере, для одной группы, критерий решения предусматривает незамедлительный демонтаж двигателя «DEP» и замену подвергшихся износу деталей компрессора (крышки, лопаток крыльчатки, лопаток диффузора). Если число Nr равно Nrc для соответствующей группы, также предусмотрен демонтаж.

Как альтернативный вариант, маркеры могут быть распределены не по группам, а равномерно распределены, например, вдоль меридианы изгиба. В этом случае число Nrc просто равно 1, если только скорость «Ve» или степень износа «Au» существенно не возрастают: тогда число Nrc будет равно 2, чтобы исключить любую запоздалую замену деталей.

Изобретение не ограничивается описанными и изображенными примерами осуществления. Следовательно, маркеры могут не располагаться в форме выемок в одной группе, например, согласно схеме расположений в форме V, треугольника, квадрата и т.д.

Центробежный компрессор газовой турбины с радиальным воздухозаборником содержит крыльчатку, укомплектованную лопатками, и крышку истечения воздушного потока в лопатки крыльчатки. Крышка, покрытая абляционным материалом, имеет кольцевую зону изгиба по существу в срединной части. В абляционном покрытии этой зоны механической обработкой выполнены выемки маркировки (M1–M3) определенной глубины, предпочтительно по группам (G1, G2). Последовательно осуществляются эндоскопические осмотры для подачи сигнала изображения маркировок. Обработка эндоскопического сигнала позволяет определить число остаточных маркировок и реализовать критерий решения по демонтажу двигателя. Изобретение направлено на точное измерение эрозии компрессоров без демонтажа двигателя, а также простую установку. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Центробежный компрессор (1) газовой турбины (10) с радиальным воздухозаборником (5), который содержит крыльчатку (10), укомплектованную лопатками (11), и крышку (12) истечения воздушного потока (F1) в лопатки (11), отличающийся тем, что крышка (12) покрыта абляционным материалом и имеет кольцевую зону изгиба (12а) по существу в срединной части, в которой в абляционном покрытии механической обработкой выполнена, по меньшей мере, одна выемка маркировки (М1–М3, Mi) определенной глубины (P1–P3), так называемый маркер.

2. Центробежный компрессор по п. 1, в котором, по меньшей мере, две (G1, G2), предпочтительно, по меньшей мере, три, группы (G3–G5), по меньшей мере, из двух, предпочтительно, по меньшей мере, из трех, маркеров (М1–М3) распределены вдоль зоны изгиба (12а) крышки (12).

3. Центробежный компрессор по п. 1, в котором маркеры (М1–М3) каждой группы (G1–G5) имеют различную количественно определенную начальную глубину (P1–P3).

4. Центробежный компрессор по п. 1, в котором маркеры (М1–М3) каждой группы (G1–G5) расположены в линию в указанной зоне изгиба (12а) и их местоположение выбрано между меридианой (120), радиусом (121) и наклонной линией между меридианой и радиусом.

5. Центробежный компрессор по п. 4, в котором маркеры (М1–М3) одной группы (G1–G5) расположены достаточно близко друг от друга, менее 10 мм, чтобы быть способными претерпеть одинаковый тип эрозии.

6. Центробежный компрессор по п. 1, в котором маркеры (М1–М3, Mi) имеют максимальное отверстие диаметром меньше 1 мм, препятствующее закупорке посторонними телами, в частности песчинками.

7. Центробежный компрессор по п. 1, в котором маркеры (М1–М3, Mi) выбраны по форме между цилиндрической формой, предпочтительно выточкой с кругообразным или продолговатым основанием, шаровым сегментом, формой конуса и пазом.

8. Способ мониторинга износа центробежного компрессора вышеописанного типа, отличающийся тем, что включает следующие этапы:

- посредством машинной обработки (100), по меньшей мере, одной выемки определенной глубины (P1–P3) в абляционном покрытии изгиба (12а) крышки выполняют, по меньшей мере, одну маркировку (М1–М3, Mi);

- осуществляют последовательно по времени (Tj) эндоскопические осмотры (200);

- при каждом осмотре эндоскоп вводят в компрессор, при этом активный конец эндоскопа позиционируют напротив одного или нескольких маркеров (М1–М3, Mi) для подачи сигнала с изображением маркировок;

- производят обработку (DTS) эндоскопического сигнала (300), позволяющую определить число остаточных маркировок (Nr), и критерий решения (CD) по демонтажу двигателя (500) реализуют в зависимости от этого числа и сравнительных данных по износу (DATA).

9. Способ по п. 8, в котором маркировки (М1–М3) имеют различную глубину (P1–P3) и разность между двумя ближайшими глубинами количественно определяют в соответствии с измеренной степенью износа.

10. Способ по п. 8, в котором маркировки (Mi) равномерно распределяют по окружности изгиба (12a) крышки, индивидуально или по группам (G1–G5), по меньшей мере, из двух маркировок, предпочтительно, по меньшей мере, из трех маркировок (M1–M3).

11. Способ по п. 8, в котором на основе сравнения между перечислениями оставшихся маркировок (Nr) в ходе последовательных проверок определяют (400) величину скорости эрозии (Ve) и степень износа крышки (Au), а также путем экстраполяции на основе запомненных данных (DATA) относительно корреляций износа между деталями компрессора, данные по другим деталям компрессора.

12. Способ мониторинга износа по п. 11, в котором на основе критерия решения (CD) сравнивают (500), при каждом осмотре число оставшихся маркировок (Nr) с критическим числом (Nrc), установленным в зависимости от запомненных данных (DATA), и двигатель демонтируют для замены изношенных деталей, когда достигается критическое число (Nrc).