Способ диагностики и прогнозирования надежности газотурбинных двигателей на установившихся и неустановившихся режимах работы
Владельцы патента RU 2310180:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" (RU)
Изобретение относится к области надежности газотурбинной техники, а именно для повышения эффективности и оперативности диагностики технического состояния и прогнозирования надежности газотурбинных двигателей в процессе их испытаний и эксплуатации. Технический результат достигается тем, что за срезом сопла вне двигателя и вне его газодинамической струи устанавливают электростатическую антенну для бесконтактной регистрации электростатического поля, генерируемого заряженными частицами (электронами, ионами, микрочастицами), присутствующими в двигательной струе. Диагностирование и прогнозирование неисправностей двигателя осуществляют проведением статистического анализа зарегистрированных пульсаций электростатического излучения ионов, электронов, заряженных микрочастиц, определяют величину дисперсии зарегистрированного электростатического сигнала с антенны о по выборке из N точек на заданном интервале времени τ, производную дисперсии зарегистрированного сигнала с антенны (dσ/dt), дополнительно регистрируют текущую частоту вращения nвд ротора двигателя, которая определяет режим работы двигателя, вычисляют производную по времени частоты вращения ротора двигателя (dnВД/dt) и сравнивают вычисленную дисперсию σ с заданной эталонной величиной σ*, вычисленную производную (dσ/dt) с заданной величиной (dnВД/dt)*, вычисленную производную (dnВД/dt) с заданной величиной (dnВД/dt)*. При выходе величины σ из заданного диапазона производят контроль режима работы двигателя (dnВД/dt) и на установившимся режиме работы выдается сигнал "Неисправность". При выходе величины (dσ/dt) из заданного диапазона производят контроль режима работы двигателя (dnВД/dt) и в случае установившегося режима работы выдается сигнал "Прогнозируемая неисправность". При неустановившемся режиме работы двигателя в обоих случаях выдается сигнал "Неустановившийся режим". Анализ электростатического сигнала с антенны позволяет выявлять и проводить диагностику и прогнозирование возникновения неисправностей, связанных с эрозией, разрушением элементов конструкции двигателя, ухудшением горения в основной камере сгорания. Предлагаемый способ электростатической диагностики и прогнозирования надежности газотурбинных двигателей на установившихся и неустановившихся режимах работы позволяет при его использовании уменьшить эксплуатационные расходы и время для проведения диагностики, как в ходе предполетной так и межполетной подготовки двигателя, обеспечивает высокую точность регистрации заряженных частиц в авиационных двигательных реактивных струях, а также повысить безопасность летной эксплуатации двигателя за счет прогнозирования его надежности. 3 ил.
Изобретение относится к области надежности газотурбинной техники, а именно для повышения эффективности и оперативности диагностики технического состояния и прогнозирования надежности газотурбинных двигателей в процессе их испытаний и эксплуатации.
В последние годы широкое развитие получили нетрадиционные способы диагностики газотурбинных двигателей. К таким способам относится метод бесконтактной электростатической диагностики состояния газотурбинных двигателей. В основе способа лежит регистрация заряженных частиц (электронов, ионов, микрочастиц) в авиационных двигательных струях. Эти частицы образуются в камере сгорания в процессе горения топливовоздушной смеси, при эрозии и разрушении элементов двигателя или при попадании их в двигатель извне. Заряженные частицы создают в окружающем газодинамическую двигательную струю пространстве нестационарное электростатическое поле, которое регистрируется специальными зондами-антеннами. На основе полученных сигналов можно получить информацию о процессах, происходящих в двигателе, выявить и спрогнозировать неисправности, имеющиеся в нем. Это повышает безопасность эксплуатации авиационной техники, снижает затраты при ее обслуживании и обеспечивает оперативность принятия решений.
Известен способ контроля технического состояния турбореактивного двигателя, патент RU 2025707 от 30.12.1994 г., который заключается в сравнении текущего количества продуктов износа в масле с допустимым количеством продуктов износа в зависимости от наработки двигателя.
Недостатком данного технического решения является то, что в двигатель необходимо устанавливать датчики для анализа количества продуктов износа в масле, т.е. метод является контактным, необходимо каждый раз рассчитывать эталонную величину содержания продуктов износа в масле по эквивалентной наработке. Кроме того, данным методом только диагностируют механические неисправности в двигателе, но не прогнозируют их возникновение.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому, принятым за прототип, является способ электростатической диагностики газотурбинных двигателей на установившихся и неустановившихся режимах, описанный в патенте RU 2258923 от 21.01.2004 г., в котором описывается способ установки электростатической антенны для регистрации заряженных частиц в реактивной струе двигателя и алгоритм обработки полученной информации. В процессе работы регистрируется сигнал от антенны, установленной рядом с реактивной струей двигателя, и на основе анализа сигнала делается заключение о текущей работоспособности диагностируемого двигателя.
Недостатком данного способа является невозможность на основе описанного алгоритма провести прогнозирование надежности, т.е. предсказать появление неисправности в работе двигателя. Решение о наличии неисправности в работе двигателя принимается, когда процесс эрозии или разрушения уже начался и контрольный параметр (дисперсия сигнала) уже превысил допустимый порог. Кроме того, в патенте нет четкого выделения неустановившихся режимов работы, связанных с увеличенной дисперсией сигнала, но не являющихся источником неисправностей. Тем не менее их надо учитывать при анализе сигнала с антенны.
Задачей заявляемого способа является повышение эффективности и оперативности диагностики технического состояния газотурбинных двигателей вплоть до прогнозирования процессов эрозии и разрушения при их испытаниях и в эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что в заявляемом способе диагностики и прогнозирования надежности газотурбинных двигателей на установившихся и неустановившихся режимах работы, заключающемся в том, что бесконтактно регистрируют электрический сигнал от реактивной газодинамической струи двигателя с помощью электростатической антенны, установленной за срезом сопла двигателя вне его реактивной газодинамической струи, регистрируют пульсации электрического поля, создаваемого электронами, ионами и заряженными микрочастицами, присутствующими в двигательной струе, определяют величину дисперсии зарегистрированного сигнала, и согласно изобретению дополнительно регистрируют частоту вращения ротора двигателя, характеризующего режим работы двигателя, определяют производную по времени дисперсии зарегистрированного сигнала dσ/dt, определяют производную по времени частоты вращения ротора двигателя dnВД/dt, сравнивают величину dnВД/dt с заданной эталонной величиной (dnВД/dt)* и определяют режим работы двигателя, сравнивают вычисленную дисперсию σ с заданной эталонной величиной σ* и при превышении вычисленной дисперсии своего эталонного значения в зависимости от установившегося или неустановившегося режима работы двигателя судят о неисправности двигателя, сравнивают величину производной дисперсии dσ/dt с заданной эталонной величиной (dσ/dt)* и при превышении dσ/dt своего заданного эталонного значения в зависимости от установившегося или неустановившегося режима работы двигателя прогнозируют развитие неисправности в нем. При выходе величины dσ/dt из заданного диапазона производят контроль режима работы двигателя dnВД/dt и в случае установившегося режима работы выдается сигнал "Прогнозируемая неисправность". При неустановившемся режиме работы двигателя в обоих случаях выдается сигнал "Неустановившийся режим".
На фиг.1 представлена схема установки электростатической антенны.
На фиг.2 представлена временная развертка регистрируемого электростатического сигнала (а) и вычисленная дисперсия данного сигнала (б).
На фиг.3 представлены алгоритмы диагностики технического состояния газотурбинного двигателя на установившихся и неустановившихся режимах работы и прогнозирования его надежности.
На фиг.1 показана схема установки электростатических антенн на самолете. Антенны 1 и 2 устанавливаются в районе среза сопла для бесконтактной регистрации заряженных частиц в реактивных струях 3 и 4 двигателей 5 и 6 соответственно. Каждая антенна экранируется для исключения взаимного влияния электростатических полей двигателя на антенны,
На фиг.2 представлена временная развертка (а) сигнала, зарегистрированного с помощью электростатической антенны, и его дисперсия (б). Двигатель находился на установившемся режиме работы. На чертеже имеется область нормальной работы двигателя (область до границы I, t≤17 с), величины σ и (dσ/dt) около нуля, затем в течение порядка 17 с происходит зарождение неисправности (область между границами I и II, 17≤t≥34 с) и рост величины σ, которая остается меньше эталонной величины σ*, но одновременное увеличение величины (dσ/dt) сигнализирует о рекомендуемой остановке двигателя и его осмотре. Далее наступает момент развитой неисправности (область за границей II, t≥34 с), при этом величина (dσ/dt) резко вырастает почти в 7 раз. При этом необходима быстрая остановка двигателя, так как далее следует его разрушение на t=43 c. Таким образом возможно прогнозирование разрушения за 9 с до его проявления.
Анализ электростатического сигнала осуществляют по алгоритму, схема которого представлена на фиг.3.
Реализацию заявляемого способа опережающей электростатической диагностики газотурбинных двигателей на установившихся и неустановившихся режимах работы осуществляют следующим образом.
1. Выбирают время τ, в течение которого производят сбор данных.
2. Вводят эталонную характеристику предельного значения дисперсии регистрируемого сигнала σ*=f(nВД), значения предельного изменения производных (dσ/dt)* и (dnВД/dt)*. Характеристики σ*=f(nВД), (dσ/dt)* и (dnВД/dt)* вводятся на основе предварительных испытаний двигателя данного типа.
3. Обрабатывают N точек электростатического сигнала для вычисления текущего значения дисперсии на участке длительностью τ по формуле
где Фi - уровень сигнала, i=1...N.
4. Вычисляют значение производной (dσ/dt)j на данном временном участке по измеренным на данном и предыдущем временных участках.
5. Измеряют частоту вращения двигателя nВД, которая характеризует режим работы двигателя на данном временном участке, и с помощью значения nВД на предыдущем временном участке вычисляют значение (dnВД/dt)j.
6. Сравнивают полученное значение параметров σj≤σ*.
7. Если условие по п.6 не выполняется, то вычисляют дополнительно два контрольных значения дисперсии и проверяют выполнение условий σj+1≤σ*; σj+2≤σ*.
8. Если два контрольных условия по п.7 выполняются, то выводят сигнал "Нормальный режим".
9. Если два контрольных условия по п.7 не выполняются, то производят контроль измерения режима работы двигателя по условию (dnВД/dt)j≤(dnВД/dt)*.
10. Если условие по п.9 выполняется, то выводят сигнал "Неисправность".
11. Если условие по п.9 не выполняется, то выводят сигнал "Неустановившийся режим" и алгоритм возвращается в п.3.
12. Если условие по п.6 выполняется, то проверяют условие критического нарастания сигнала (dσ/dt)j≤(dσ/dt)*.
13. Если условие по п.12 выполняется, то выводят сигнал "Нормальный режим" и алгоритм возвращается в п.3.
14. Если условие по п.12 не выполняется, то вычисляют дополнительно два контрольных значения производной дисперсии и проверяется выполнение условий (dσ/dt)j+1≤(dσ/dt)*; (dσ/dt)j+2≤(dσ/dt)*.
15. Если два контрольных условия по п.14 выполняются, то выводят сигнал "Нормальный режим" и алгоритм возвращается в п.3.
16. Если два контрольных условия по п.14 не выполняются, то производят контроль измерения режима работы двигателя по условию (dnВД/dt)j≤(dnВД/dt)*.
17. Если условие по п.16 выполняется, то выводят сигнал "Прогнозируемая неисправность".
18. Если условие по п.16 не выполняется, то выводится сигнал "Неустановившийся режим" и алгоритм возвращается в п.3;
где nВД - частота вращения ротора (высокого давления),
τ - время регистрации сигнала,
N - количество точек, по которым производится расчет дисперсии,
Фi - уровень сигнала в i-й точке,
σj - текущее значение дисперсии сигнала,
(dσ/dt)j - текущее значение производной дисперсии электростатического сигнала,
(dnВД/dt)j - текущее значение производной изменения оборотов по времени,
σ* - эталонное, предельное допустимое значение дисперсии сигнала,
(dσ/dt)* - предельное значение производной дисперсии электростатического сигнала,
(dnВД/dt)* - предельное значение производной изменения оборотов по времени.
Анализ электростатического сигнала с антенны позволяет выявлять и проводить диагностику и прогнозирование возникновения неисправностей, связанных с эрозией, разрушением элементов конструкции двигателя, ухудшением горения в основной камере сгорания.
Предлагаемый способ электростатической диагностики и прогнозирования надежности газотурбинных двигателей на установившихся и неустановившихся режимах работы позволяет при его использовании уменьшить эксплуатационные расходы и время для проведения диагностики, как в ходе предполетной, так и межполетной подготовки двигателя, обеспечивает высокую точность регистрации заряженных частиц в авиационных двигательных реактивных струях, а также повысить безопасность летной эксплуатации двигателя за счет прогнозирования его надежности.
Способ диагностики и прогнозирования надежности газотурбинных двигателей на установившихся и неустановившихся режимах работы, заключающийся в том, что бесконтактно регистрируют электрический сигнал от реактивной газодинамической струи двигателя с помощью электростатической антенны, установленной за срезом сопла двигателя вне его реактивной газодинамической струи, регистрируют пульсации электрического поля, создаваемого электронами, ионами и заряженными микрочастицами, присутствующими в двигательной струе, определяют величину дисперсии зарегистрированного сигнала, отличающийся тем, что дополнительно регистрируют частоту вращения ротора двигателя, характеризующую режим работы двигателя, определяют производную по времени дисперсии зарегистрированного сигнала dσ/dt, определяют производную по времени частоты вращения ротора двигателя dnВД/dt, сравнивают величину dnВД/dt с заданной эталонной величиной (dnВД/dt)* и определяют режим работы двигателя, сравнивают вычисленную дисперсию σ с заданной эталонной величиной σ* и при превышении вычисленной дисперсии своего эталонного значения в зависимости от установившегося или неустановившегося режима работы двигателя судят о неисправности двигателя, сравнивают величину производной дисперсии dσ/dt с заданной эталонной величиной (dσ/dt)* и при превышении dσ/dt своего заданного эталонного значения в зависимости от установившегося или неустановившегося режима работы двигателя прогнозируют развитие неисправности в нем.
