Способ диагностики технического состояния газотурбинного двигателя Российский патент 2024 года по МПК G01M15/14 

Предлагаемое изобретение относится к области двигателестроения, а именно к способам вибрационной диагностики дефектов двигателя при проведении стендовых испытаний и может найти применение в системах диагностики технического состояния газотурбинных двигателей (ГТД) для диагностирования касаний ротора о статор.

Существующая тенденция создания авиационного ГТД малого удельного веса с высокими параметрами достигается уменьшением массы всех без исключения элементов его конструкции, при сохранении достаточной их прочности, и увеличением частот вращения роторов. В связи с этим двигатели имеют облегченные роторы, большинство из которых - закритические, т.е. роторы, у которых критические частоты вращения на жёстких опорах находятся ниже максимальных рабочих частот вращения, а также гибкие силовые узлы и податливые элементы корпусов компрессора и турбины.

Чаще всего система «роторы-корпус» проектируется таким образом, что роторы при выходе на свои основные рабочие режимы проходят критические частоты вращения, так называемые, опорные формы колебаний, генерируемые колебаниями роторов, как жёстких тел на резонансах их опор. Практически, при существующей конверсионной политике, такая силовая схема системы «роторы-корпус» переносится с базового авиационного ГТД на ГТД промышленного применения в энергетике и судостроении. Соответственно необходимость получения двигателя высокой надёжности и большого ресурса становится всё более актуальной.

Известен способ диагностики касания лопаток рабочего колеса о корпус в составе осевой турбомашины (описание изобретения по патенту № 2795805, G01M15/14, опубл. 11.05.2023. Бюл. №14). Диагностика выполняется в широкой полосе частот на частоте следования лопаток. Для диагностики наряду с вибропреобразователем используют еще и датчик пульсаций статического давления потока. О моменте касания лопаток вращающегося колеса о корпус турбомашины судят по одновременному увеличению амплитуды, регистрируемой датчиком вибраций, выше верхней границы и уменьшению амплитуды, регистрируемой датчиком пульсации статического давления, ниже нижней границы пульсации статического давления воздушного потока.

Способ затратен, трудоемок и недостаточно надежен при большом количестве лопаток рабочего колеса и в условиях высоких температур, а поэтому не применим в турбинах и для высокооборотных ГТД.

Известен способ определения характера касания лопатки вращающегося колеса о корпус турбомашины (описание изобретения по патенту № 2670771, G01M15/14, опубл. 25.10.2018. Бюл. №30). Диагностика выполняется по информации с тензорезисторов, которыми препарируется каждая ступень ГТД.

Известный способ затратен при большом числе ступеней компрессора и турбины и применим лишь при проведении исследовательских испытаний, но не при приемо-сдаточных испытаниях, в серийном производстве и при эксплуатации ГТД.

Наиболее близким к предлагаемому является способ диагностики технического состояния газотурбинного двигателя, при котором предварительно расчетным путем определяют опорные критические частоты вращения ротора, при проведении стендовых испытаний измеряют корпусную вибрацию, по меньшей мере с двух вибропреобразователей, регистрируют ее в виде амплитудно-частотного спектра, при появлении в котором составляющей на диагностической частоте делают вывод о наличии дефекта (Опыт идентификации неисправностей газотурбинных двигателей с помощью узкополосного спектрального анализа вибрации // Контроль. Диагностика. 2011. № 12).

О касаниях ротора о статор судят по наличию в спектре вибрации составляющей на частоте близкой к половинной от роторной (субгармоника на частоте ½ частоты вращения ротора) и кратным от нее и по увеличению амплитуды виброперегрузки на частоте следования лопаток. При этом наличие составляющей на частоте следования лопаток является подтверждением касаний ротора о статор. Увеличение уровня сигнала с соответствующего вибропреобразователя указывает на локализацию дефекта касаний (компрессор или турбина).

Однако наличие составляющей на частоте близкой к ½ частоты вращения ротора достаточно неопределенный критерий для диагностики касаний ротора о статор, т.к. эта составляющая может появляться в спектре вибрации при совершенно различных дефектах. Например, указанную субгармонику в спектре вибрации может генерировать дефектный сепаратор упорного подшипника ротора (Опыт идентификации неисправностей газотурбинных двигателей с помощью узкополосного спектрального анализа вибрации // Контроль. Диагностика. 2011. № 12).

При развитии дефекта касания ротора о статор в спектре вибрации появляется доминирующая составляющая на частоте, соответствующей первой опорной критической частоте вращения ротора и кратные ей гармоники. Однако составляющая на первой опорной критической частоте вращения ротора достаточно легко генерируется и при других дефектах, например, может свидетельствовать о масляном голодании или недостаточности смазки (Опыт идентификации неисправностей газотурбинных двигателей с помощью узкополосного спектрального анализа вибрации // Контроль. Диагностика. 2011. № 12). Поэтому диагностика касаний ротора о статор по появлению в спектре вибрации составляющей на первой опорной критической частоте вращения ротора не достаточно надежна.

Известный способ диагностики касаний ротора о статор недостаточно надежен и эффективен при большом количестве лопаток рабочего колеса и в условиях высоких температур, а поэтому не применим в турбинах и для высокооборотных ГТД. В этом его ограничение по использованию. Способ может применяться лишь для низкооборотных ГТД, имеющих относительно толстые корпуса и не применим для высокооборотных ГТД, тонкие корпуса, которых генерируют широкий спектр резонансных частот, усложняющих диагностику. Это затрудняет расширение рабочего диапазона частот измеряемой вибрации, чтобы в него попадала составляющая на частоте следования лопаток. Большое количество корпусных резонансов делает затруднительным поиск интересующих составляющих в густом спектре вибрации. Это делает известный способ малонадежным и эффективным.

Кроме того, известный способ диагностики является затратным, т.к. для диагностики требуется существенное расширение частотного диапазона измеряемой вибрации (диагностика выполняется в широкой полосе частот), которая не требуется для контроля вибрации. Это обуславливает необходимость использования специальных аппаратных средств и датчиков.

Технической задачей изобретения является создание универсального способа диагностики технического состояния ГТД - касаний ротора о статор, позволяющего по спектральному анализу вибрации установить наличие дефекта без расширения частотного диапазона и применения дорогостоящего аппаратных средств и датчиков, а также избежать постановки ложного диагноза и существенных повреждений деталей ГТД и может быть использован для ГТД различных типов, включая высокооборотные ГТД.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и надежности диагностирования дефекта касания ротора о статор за счет использования в качестве диагностической частоты второй опорной критической частоты вращения ротора, составляющая на которой появляется в спектре корпусной вибрации в моменты касаний ротора о статор на режимах работы ГТД, после прохода опорных критических частот вращения ротора, при этом измеряют корпусную вибрацию в узкой, ограниченной фильтрами, полосе частот, включающей первую роторную гармонику на максимальной частоте вращения ротора. Для возбуждения составляющей на второй опорной критической частоте вращения ротора затрачивается больше энергии, чем при возбуждении на первой и ее появление в спектре вибрации в моменты касаний ротора о статор позволяет надежно диагностировать техническое состояние ГТД.

Дополнительным техническим результатом предлагаемого способа является расширение его функциональных возможностей за счет его использования для диагностики ГТД различных типов и снижения трудоемкости диагностирования за счет использования штатных вибропреобразователей и виброаппаратуры, предназначенной для контроля вибрации, который выполняется при любых испытаниях.

Технический результат достигается тем, что в способе диагностики технического состояния газотурбинного двигателя, при котором предварительно расчетным путем определяют опорные критические частоты вращения ротора, при проведении стендовых испытаний измеряют корпусную вибрацию по меньшей мере с двух вибропреобразователей, регистрируют ее в виде амплитудно-частотного спектра, при появлении в котором составляющей на диагностической частоте делают вывод о наличии дефекта, в отличие от известного, в качестве диагностической частоты используют вторую опорную критическую частоту вращения ротора, расчетное значение которой предварительно уточняют экспериментально, измеряют корпусную вибрацию по штатным вибропреобразователям в узкой, ограниченной фильтрами, полосе частот, включающей первую роторную гармонику на максимальной частоте вращения ротора, на режимах работы двигателя, после прохода опорных критических частот вращения ротора, анализируют спектры корпусной вибрации, в моменты касаний ротора о статор в спектре вибрации появляется составляющая на частоте, соответствующей второй опорной критической частоте вращения ротора, по наличию которой делают вывод о касаниях ротора о статор.

Способ диагностики технического состояния ГТД поясняется фигурами, на которых изображены:

фиг. 1 - спектр корпусной вибрации с вибропреобразователя, установленного на корпусе турбины при отсутствии касаний ротора о статор;

фиг. 2 - спектр корпусной вибрации с вибропреобразователя, установленного на корпусе турбины, в момент касаний ротора о статор.

Способ диагностики технического состояния ГТД осуществляют следующим образом.

Предварительно расчетным путем (например, с помощью программного комплекса DINAMICS 4.10 или ANSYS 19.2) определяют первую (f_1кр) и вторую (f_2кр) опорные критические частоты вращения ротора. При этом вторую опорную критическую частоту вращения ротора (f_2кр) используют в качестве диагностической частоты, расчетное значение которой уточняют экспериментально по динамическому усилению вибрации на переходном режиме, предшествующем выходу на режим, на котором выполняют диагностику.

В процессе проведения испытаний ГТД измеряют корпусную вибрацию по меньшей мере с двух вибропреобразователей, например, с помощью штатных вибропреобразователей, используемых для контроля вибрации, установленных на корпусах компрессора и турбины.

Измеряют корпусную вибрацию в узкой, ограниченной фильтрами полосе частот, включающей первую роторную гармонику (f_р) на максимальной частоте вращения ротора. До выхода на режим, на котором выполняют диагностику, проходят первую и вторую опорные критические частоты вращения ротора.

Регистрируют корпусную вибрацию в виде амплитудно-частотного спектра, например, с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье

После прохода опорных критических частот вращения ротора выполняют диагностику - анализируют спектры корпусной вибрации сигналов с вибропреобразователей (фиг.1). В моменты касаний ротора о статор в спектре вибрации появляется составляющая на частоте, соответствующей второй опорной критической частоте вращения ротора (фиг.2), по наличию которой делают вывод о наличии дефекта - касаниях ротора о статор.

Вибропребразователь, в спектре сигнала которого она появляется, указывает на локализацию дефекта - место касаний ротора о статор.

Пример осуществления способа.

Предварительно (до проведения испытаний ГТД) расчетным путем (в DINAMICS 4.10) определили опорные критические частоты вращения ротора: первая критическая частота составила 9000 об/мин (f_1кр=150 Гц), вторая критическая частота составила 12000 об/мин (f_2кр=200 Гц).

Для контроля вибрационного состояния ГТД использовали штатные вибропреобразователи, установленные на корпусе турбины и компрессора в вертикальном направлении. Расчетное значение второй опорной критической частоты вращения ротора, выбранной в качестве диагностической частоты, уточнили экспериментально по анализу вибрации в процессе работы ГТД. На переходном режиме работы ГТД 12000 об/мин в спектре корпусной вибрации зафиксировали динамическое усиление вибрации на частоте колебаний 200 Гц. Получили экспериментальное подтверждение расчетного значения второй опорной критической частоты вращения ротора, которое использовали при диагностике (f_2кр=200 Гц).

На рабочих оборотах 18000 об/мин в спектре корпусной вибрации по вибропреобразователю, установленному на корпусе турбины, при штатной работе ГТД (отсутствии касаний ротора о статор) наблюдалась только роторная составляющая (f_р=300 Гц) (фиг.1). Затем в процессе испытаний в спектре корпусной вибрации были зафиксированы «всплески» корпусной вибрации вблизи расчетного значения первой опорной критической частоты вращения ротора (f_1кр=150 Гц) и на частоте, соответствующей второй опорной критической частоте вращения ротора (f_2кр=200 Гц) (фиг. 2). Сделали вывод о наличии касаний ротора о статор в районе турбины.

По результатам разборки и дефектации ГТД по окончанию испытаний на статоре в плоскости 1 ступени турбины были выявлены следы касаний ротора о статор.

Предложенный способ диагностики касаний ротора о статор был многократно подтвержден при проведении различных стендовых испытаний ГТД различных типов.

Использование предлагаемого способа диагностики технического состояния ГТД не только повышает эффективность и надежность диагностирования дефекта касаний ротора о статор, но и позволяет определить место развития дефекта (его локализацию). Предлагаемый способ диагностики позволяет установить факт наличия касаний ротора о статор и заблаговременно остановить испытания, когда дальнейшая работа двигателя, во избежание его повреждений, не целесообразна.

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к способам вибрационной диагностики дефектов двигателя при проведении стендовых испытаний, и может найти применение в системах диагностики технического состояния газотурбинных двигателей для диагностирования касаний ротора о статор. В способе диагностики технического состояния газотурбинного двигателя, при котором предварительно расчетным путем определяют опорные критические частоты вращения ротора, при проведении стендовых испытаний измеряют корпусную вибрацию по меньшей мере с двух вибропреобразователей, регистрируют ее в виде амплитудно-частотного спектра, при появлении в котором составляющей на диагностической частоте делают вывод о наличии дефекта, в отличие от известного, в качестве диагностической частоты используют вторую опорную критическую частоту вращения ротора, расчетное значение которой предварительно уточняют экспериментально, измеряют корпусную вибрацию по штатным вибропреобразователям в узкой, ограниченной фильтрами, полосе частот, включающей первую роторную гармонику на максимальной частоте вращения ротора, на режимах работы двигателя, после прохода опорных критических частот вращения ротора, анализируют спектры корпусной вибрации, в моменты касаний ротора о статор в спектре вибрации появляется составляющая на частоте, соответствующей второй опорной критической частоте вращения ротора, по наличию которой делают вывод о касаниях ротора о статор. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и надежности диагностирования дефекта касаний ротора о статор. 2 ил.

Способ диагностики технического состояния газотурбинного двигателя, при котором предварительно расчетным путем определяют опорные критические частоты вращения ротора, при проведении стендовых испытаний измеряют корпусную вибрацию по меньшей мере с двух вибропреобразователей, регистрируют ее в виде амплитудно-частотного спектра, при появлении в котором составляющей на диагностической частоте делают вывод о наличии дефекта, отличающийся тем, что в качестве диагностической частоты используют вторую опорную критическую частоту вращения ротора, расчетное значение которой предварительно уточняют экспериментально, измеряют корпусную вибрацию по штатным вибропреобразователям в узкой, ограниченной фильтрами, полосе частот, включающей первую роторную гармонику на максимальной частоте вращения ротора, на режимах работы двигателя, после прохода опорных критических частот вращения ротора, анализируют спектры корпусной вибрации, в моменты касаний ротора о статор в спектре вибрации появляется составляющая на частоте, соответствующей второй опорной критической частоте вращения ротора, по наличию которой делают вывод о касаниях ротора о статор.