Способ диагностирования образования и развития трещины в дисках авиационного газотурбинного двигателя при циклической нагрузке

Авторы патента:

G01M15/14 - Испытание машин и двигателей (испытание топливовпрыскивающей аппаратуры F02M 65/00; испытание зажигания двигателей внутреннего сгорания, например проверка синхронизации F02P 17/00; обнаружение стуков в двигателях внутреннего сгорания G01L 23/22)

Владельцы патента RU 2570938:

Открытое акционерное общество "Московское машиностроительное предприятие им. В.В. Чернышёва" (RU)

Способ диагностирования образования и развития трещины в диске работающего авиационного газотурбинного двигателя, который реализуется регистрацией сигнала с датчика линейного перемещения, установленного на корпусе двигателя и фиксирующего кратковременное колебание корпуса из-за импульсного высвобождения энергии при образовании и ступенчатом развитии трещины при выходе двигателя на максимальные обороты в рабочем цикле. Изобретение позволяет определять появление и развитие трещины в диске, а также степень поврежденности диска без разборки двигателя и предотвращать разрушение диска. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области диагностирования технического состояния газотурбинных двигателей и может быть использовано для обеспечения безопасной эксплуатации двигателей на летательных аппаратах.

Известны случаи разрушения дисков роторов авиационных газотурбинных двигателей от малоцикловой усталости при циклической нагрузке, возникающей при выходе двигателя на максимальные рабочие обороты. Малоцикловая усталость часто определяет ресурс двигателя в связи с многократным повторением циклов выхода на рабочие режимы и останова (см., например, И.А. Биргер, Р.Р. Мавлютов, Сопротивление материалов, М., Наука, 1986, с. 102).

Несмотря на то, что процесс развития трещины от момента ее зарождения до разрушения диска из-за больших промежутков времени между циклами нагружения длительный, однако наличие трещины в настоящее время можно определить только на разобранном двигателе, что связано с большими затратами материальных и трудовых ресурсов и времени. Из-за этого иногда не удается предотвратить разрушение диска и, как следствие, летательного аппарата.

Поэтому разработка эффективного способа диагностирования развития трещины от малоцикловой усталости в дисках при циклической работе газотурбинного двигателя, установленного на летательном аппарате или на испытательном стенде, чрезвычайно актуальна.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ диагностирования возникновения трещины в диске от малоцикловой усталости при циклической нагрузке по изменению вибросостояния двигателя (см., например, И.Н. Долгополов и др., Формирование перечня мероприятий по исследованиям и испытаниям диска турбины высокого давления с целью внедрения диагностики его технического состояния. Отчет о научно-исследовательской работе, М., ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова», 2013). Однако из-за ничтожно малого изменения инерционно-массовых свойств ротора двигателя при возникновении трещины в диске изменение виброхарактеристики двигателя очень незначительно и выявить информативный вибродиагностический признак практически невозможно даже при испытании двигателя на стенде.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание способа диагностики образования и развития трещины в диске по импульсу энергии, выделяемой при образовании и ступенчатом развитии трещины, проявляющемуся в виде кратковременного колебания, фиксируемого на корпусе двигателя датчиком линейного перемещения (см., например, Вибрации в технике, Справочник, М., Машиностроение, 1981, т. 5, с. 135).

Поставленная задача достигается за счет того, что при выходе на рабочие режимы в рабочем цикле двигателя пропорционально квадрату оборотов ротора увеличиваются напряжения растяжения в диске и накапливается энергия. Так как во всяком металле и детали имеются несплошности и нарушения микроструктуры, а также концентраторы напряжений и др. предпосылки для зарождения трещин (см., например, И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич, Расчет на прочность деталей машин, Справочник, М., Машиностроение, 1979, с. 29), то когда в таких местах напряжения достигают предела упругости, там возникают микротрещины. Эти микротрещины, развиваясь и соединяясь под действием циклической нагрузки, с наработкой сливаются воедино и образуют магистральную трещину, которая при циклическом нагружении диска развивается ступенчато (см., например, И.А. Биргер, Р.Р. Мавлютов, Сопротивление материалов, М., Наука, 1986, с. 13, рис. 1.7). Так как время образования очередной ступеньки в трещине составляет лишь несколько микросекунд (см., например, В.З. Партон, В.Г. Борисковский, Динамика хрупкого разрушения, М., Машиностроение, 1988, с. 153), то ступенчатое развитие трещины сопровождается практически мгновенным высвобождением значительной накопленной энергии и кратковременным колебанием ротора, через опоры ротора передаваемым на корпус.

Можно рассчитать величину высвобождаемой при развитии трещины энергии, отнесенной к единице времени, по формуле:

W=F·V, где

F - сила, действующая в плоскости диска и вызывающая развитие трещины.

F=t·l·σb, где

t - ширина очередной «ступеньки» развивающейся трещины;

l - длина вновь образовавшейся «ступеньки»;

σb - предел прочности материала диска;

V - скорость развития трещины.

Этот сопровождаемый колебанием корпуса двигателя всплеск энергии при выходе оборотов ротора на максимальный рабочий режим может быть использован как диагностический признак образования и развития трещины, который можно зафиксировать датчиком линейного перемещения, установленным на корпусе двигателя.

Импульс энергии, высвобождаемой при возникновении и развитии трещины в диске, вызывает собственные быстро затухающие колебания массы ротора на опорах, которые в реальном двигателе имеют упругость, а также способность к рассеянию и поглощению энергии колебаний ротора.

Частоту собственных колебаний можно определить расчетным путем (см., например, И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич, Расчет на прочность деталей машин, Справочник, М, Машиностроение, 1979, с. 418). В зависимости от типа применяемой виброаппаратуры будут зарегистрированы при выходе двигателя на максимальные рабочие обороты (момент возникновения и развития трещины от малоцикловой усталости) или быстро затухающие колебания с собственной частотой, или кратковременное повышение уровня вибрации.

Способ реализуется следующим образом. На корпусе двигателя с диском, не имеющем трещины, всплеск высвобождаемой энергии при выходе двигателя на максимальный рабочий режим отсутствует, т.к. нет развития трещины. Поэтому импульсный сигнал с датчика линейного перемещения, установленного на корпусе двигателя, также отсутствует. При образовании и ступенчатом развитии магистральной трещины в диске при циклическом выходе двигателя на максимальный рабочий режим датчик линейного перемещения выдаст соответствующий сигнал, который является диагностическим признаком наличия трещины в диске. Так как процесс развития трещины от зарождения до разрушения диска относительно длительный (см., например, Н.В. Туманов и др., Исследование развития трещин малоцикловой усталости при сложных циклах нагружения применительно к диску турбины высокого давления. Отчет о научно-исследовательской работе, М., ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова», 2013), то можно экспериментально-расчетным путем установить необходимую периодичность диагностирования и приурочить, например, к работам по техническому обслуживанию двигателя или летательного аппарата. Можно также использовать этот способ для диагностирования состояния диска при стендовых испытаниях двигателя.

При продолжении эксплуатации двигателя с диском с уже образовавшейся трещиной, трещина развивается вглубь и в длину, в результате чего импульс высвобождаемой при этом энергии тоже увеличивается. Соответственно увеличивается и сигнал с датчика. Величина сигнала является диагностическим признаком степени поврежденности диска.

Новым в изобретении является то, что в качестве диагностического признака используется сигнал с датчика перемещений, связанный с импульсом энергии, выделяемой при возникновении и развитии трещины в диске при циклическом нагружении.

Для выявления связи между развитием трещины и циклами выхода двигателя на рабочие обороты (полетные циклы), а также между развитием трещины и импульсным сигналом с датчика перемещений могут быть использованы экспериментальные исследования диска с уже выявленной трещиной на разгонном стенде, имитирующем выходы диска на рабочие режимы.

1. Способ диагностирования образования и развития трещины в диске авиационного газотурбинного двигателя от нагрузки при выходе на максимальные обороты в рабочем цикле, отличающийся тем, что датчиком линейного перемещения, установленным на корпусе двигателя, регистрируется кратковременное колебание, вызванное импульсом высвобождаемой при образовании и ступенчатом развитии трещины энергии.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измеряется также величина сигнала с датчика, характеризующая степень поврежденности диска.

Изобретение относится к испытательной технике и испытаниям на усталостную прочность при кручении. Стенд содержит сервогидравлическое нагружающее устройство (СНУ), элемент коленчатого вала (1), один конец которого жестко крепится через фланец отбора мощности к вертикальной неподвижной стойке (7).

Способ оценки работоспособности технологического оборудования при эксплуатации в условиях, вызывающих снижение пластичности и растрескивание металла конструктивных элементов // 2569964

Изобретение относится к оценке работоспособности технологического оборудования при эксплуатации в условиях, вызывающих снижение пластичности и растрескивание металла конструктивных элементов, и может быть использовано при его диагностировании для обоснования возможности, сроков, условий дальнейшей эксплуатации и предупреждения хрупких разрушений.

Способ испытания корпусов турбомашин на непробиваемость и устройство для его реализации // 2569930

Изобретения относятся к области машиностроения, а именно к испытаниям корпусов роторов лопаточных машин на непробиваемость. Способ заключается в том, что на одной из лопаток, установленных в роторе, расположенном внутри неподвижного корпуса, осуществляется ослабление ее поперечного сечения, при достижении ротором заданной частоты вращения и прогреве корпуса и деталей ротора до необходимой температуры проводят обрыв этой лопатки с последующим взаимодействием оборвавшейся части с корпусом.

Способ диагностики топливных форсунок // 2568373

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Предложен способ диагностики топливной форсунки, в котором для уравновешивания крутящих моментов, производимых цилиндром двигателя, производят регулирование количества впрыскиваемого топлива или начало/конец синхронизации впрыска топлива в указанный цилиндр.

Способ калибровки вращающего момента // 2566619

Описан способ проверки правильности определения вращающего момента двигателя, включающий: определение вращающего момента двигателя по количеству топлива, впрыскиваемого в двигатель, причем вращающий момент двигателя получают из таблицы впрыскивания топлива; вычисление первой величины веса транспортного средства по его ускорению и полученному вращающему моменту двигателя; определение вращающего момента вспомогательного тормозного устройства с использованием таблицы вспомогательного тормозного устройства; вычисление второй величины веса транспортного средства по полученному тормозному моменту вспомогательного тормозного устройства и сравнение первой и второй величин веса транспортного средства.

Устройство для многоточечного получения данных/распределения среды, в частности зонд для замера давления в воздухозаборнике турбомашины // 2564364

Изобретение направлено на получение данных или осуществление получения данных или распределения среды многоточечно, точно и быстро с хорошим пространственным разрешением и минимальными габаритными размерами.

Устройство для определения аэродинамических характеристик модели ракеты авиационного базирования // 2564054

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к устройствам для измерения аэродинамических сил и моментов, действующих на модели изделий авиационной и ракетной техники при проведении испытаний в аэродинамических трубах.

Способ обнаружения попадания воды или града в газотурбинный двигатель // 2561963

Изобретение относится к способу обнаружения попадания воды или града в газотурбинный двигатель, причем упомянутый двигатель имеет, по меньшей мере, компрессор, камеру сгорания и турбину.

Способ испытания эрд и стенд для его реализации // 2561801

Изобретение относится к области электроракетных двигателей и стендов для их испытаний. В способе испытания электроракетных двигателей в вакуумной камере, основанном на том, что истекающее рабочее тело затормаживают на защитной мишени, согласно изобретению, энергию истекающего рабочего тела в виде ионизирующего излучения высокотемпературной плазмы преобразуют в электрическую энергию, которую выводят за пределы вакуумной камеры для полезного использования.

Способ диагностирования двигателя внутреннего сгорания // 2561758

Изобретение может быть использовано для определения технического состояния электронной системы управления и элементов двигателей с распределенным впрыском топлива в процессе их изготовления, технического обслуживания и ремонта.

Способ бортовой диагностики катушек зажигания в условиях сложной электромагнитной обстановки // 2571430

Изобретение относится к области транспорта и может быть использовано для бортовой диагностики катушек зажигания двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с принудительным воспламенением от искрового разряда, формируемого микропроцессорной системой зажигания в условиях сложной электромагнитной обстановки. Технический результат - повышение достоверности определения работоспособности катушек зажигания в условиях сложной электромагнитной обстановки, обеспечение своевременного принятия мер по обеспечению экологических требований, предъявляемых к транспортному средству (ТС), например прекращение топливоподачи в соответствующий цилиндр ДВС ТС и отключение тока накопления в неисправной катушке зажигания в случае определения нарушения их работоспособности. В способе диагностики катушек зажигания N-цилиндрового ДВС их работоспособность определяют по результату сравнения измеренной величины амплитуды тока, протекающего в ее первичной обмотке, с данными превентивно заданных пороговых значений и статистическими данными измерений в течение нескольких циклов работы ДВС величины амплитуд токов, протекающих в первичных обмотках других катушек ДВС. 6 ил.

Способ определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания и экспертная система для его осуществления // 2571693

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к определению технического состояния путем измерения параметров, отражающих давление в цилиндрах поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в эксплуатационных условиях. Предложенное техническое решение позволяет упростить и значительно снизить трудоемкость экспертизы технического состояния двигателя. Предлагаемый способ и экспертная система для определения технического состояния двигателя и его составных элементов могут использоваться как для исследования рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания, так и для проведения экспертизы технического состояния ДВС и его составных элементов при предварительном обучении экспертной системы. Способ и экспертная система позволяют оперативно и точно получить объективное экспертное заключение о техническом состоянии двигателя и его составных элементов. Применение настраиваемой модели в способе и устройстве позволяет повысить точность методов идентификации состояния двигателя, центробежного регулятора скорости, топливного насоса и турбокомпрессора в сравнении с обычным измерением и анализом характеристик и более достоверно обнаружить места неисправностей и определить выход параметров указанных составных элементов за номинальные значения. Экспертная система позволяет путем создания баз данных и знаний неограниченного объема использовать накопленный интеллектуальный потенциал разработчиков, исследователей, диагностов, эксплуатационников для проведения объективной экспертизы ДВС и его составных элементов. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 41 ил.

Способ определения выброса несгоревшего топлива из цилиндра двигателя внутреннего сгорания // 2573071

Способ определения выброса несгоревшего топлива из цилиндра двигателя внутреннего сгорания позволяет осуществлять контроль дымности отработавших газов (ОГ) двигателя и дополняет его возможностью выявления цилиндров с неисправностями, вызывающими повышенную дымность. Контроль дымности осуществляют по параметрам процесса сгорания топлива в цилиндре двигателя, получаемым при обработке индикаторной диаграммы. Результаты контроля представляют в миллиграммах несгоревшего топлива, приходящихся на кубометр ОГ (мг/м3) и на единицу выработанной энергии (мг/кВт·ч). При автоматизированных процессах обработки индикаторных диаграмм способ вырабатывает сведения о дымности ОГ цилиндров без каких-либо дополнительных трудозатрат. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ контроля подсистемы, установленной в транспортном средстве // 2573076

Изобретение относится к способу для контроля установленной в транспортном средстве подсистемы по нейтрализации отработавших газов двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, при котором блок диагностики проверяет подсистему во время циклов движения транспортного средства на предмет выявления системной ошибки, причем проверку осуществляют в отношении как возникновения, так и устранения системной ошибки, характеризующемуся тем, что посредством блока диагностики на основании частоты распознавания возникновения и устранения системной ошибки осуществляют оценку неправомерного вмешательства для определения того, имеет ли место неправомерное вмешательство в подсистему, причем при распознавании возникновения системной ошибки и нераспознавании ее устранения активируют ограничительный режим эксплуатации или оставляют в силе активированный ограничительный режим эксплуатации, при котором ограничивают эксплуатацию транспортного средства после истечения заранее задаваемого количества циклов движения или после достижения заранее задаваемого пробега. Техническим результатом является обеспечение надежности распознавания неправомерных манипуляций с системой. 18 з.п. ф-лы, 1 табл.

Способ определения характеристик несинхронных колебаний рабочего колеса турбомашины // 2573331

Изобретение может быть использовано для поузловой доводки авиационных двигателей при стендовых испытаниях, а именно доводки рабочих колес турбин и колес компрессоров. При реализации способа определения характеристик несинхронных колебаний рабочего колеса турбомашины, содержащей установленную в корпусе, по меньшей мере, одну ступень с рабочим колесом и направляющим или сопловым аппаратом, подсчитывают количество лопаток рабочего колеса и направляющего или соплового аппарата. Экспериментально определяют частоты колебаний рабочего колеса, соответствующие режиму появления максимальных напряжений в лопатках рабочего колеса в рабочем диапазоне частот вращения турбомашины. Для выявленных частот вычисляют коэффициенты (k1; k2) для вперед бегущей и назад бегущей волн деформаций. По рассчитанным коэффициентам судят о количественной мере диаметральных колебаний рабочего колеса на данной частоте. Технический результат заключается в сокращении затрат времени на проведение испытаний при определении характеристик несинхронных колебаний рабочего колеса турбомашины, а также в повышении достоверности определения количественной меры диаметральных форм колебаний рабочего колеса турбомашины. 1 табл., 2 ил.

Способ точного определения сроков технического обслуживания двигателя внутреннего сгорания устройство для его осуществления // 2573548

Изобретение относится к области двигателестроения, а точнее к диагностике, испытаниям и техническому обслуживанию двигателей внутреннего сгорания. Способ заключается в подключении к двигателю внутреннего сгорания автомобиля счетчика оборотов вала двигателя, с которого во время эксплуатации двигателя или его испытаний на лабораторном стенде снимается значение количества оборотов вала двигателя, сделанных к настоящему моменту. Далее при эксплуатации наблюдают за состоянием частей двигателя и в случае возникновения потребности технического обслуживания какой-либо детали двигателя связывают этот момент с количеством сделанных валом двигателя оборотов, которое показывает устройство, что позволяет в дальнейшем зная это значение достоверно определять будущие сроки технического обслуживания двигателя конкретно по каждой его составляющей. Для реализации способа предлагается устройство, состоящее из аппаратного удвоителя импульсов, на который поступают сигналы, нереверсивного суммирующего счетчика импульсов с энергонезависимой памятью, множителя для пересчета значений в требуемую и удобную величину, индикатора с жидкими кристаллами для представления результатов измерений и схемы контроля питания, обеспечивающей устройство необходимым напряжением. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 1 ил.

Способ формирования последовательности импульсных сигналов // 2574358

Изобретение относится к способу формирования последовательности импульсных сигналов, используя процессор, в частности, для системы калибровки системы измерения синхронизации венцов в турбомашине или другом вращающемся оборудовании. Техническим результатом является обеспечение возможности калибровки системы измерения синхронизации венцов в турбомашине. Способ содержит этапы, на которых: сохраняют множество элементов времени ожидания в блоке памяти, создают импульсный сигнал в блоке вывода сигнала во время по меньшей мере одного цикла процессора, считывают элемент времени ожидания из упомянутого блока памяти, создают нулевой сигнал в упомянутом блоке вывода сигнала для множества циклов процессора, полученных из упомянутого считанного элемента времени ожидания, подают сигналы, созданные в упомянутом блоке выходного сигнала для каждого цикла, в цифроаналоговый преобразователь и повторяют этапы создания импульсного сигнала, считывания элемента времени ожидания и создания нулевого сигнала для каждого импульсного сигнала в последовательности импульсных сигналов. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Способ оценки склонности автомобильных бензинов к образованию отложений в инжекторах систем впрыска // 2576764

Изобретение относится к способам оценки склонности автомобильных бензинов к образованию отложений на инжекторах двигателей внутреннего сгорания. Согласно предложенному способу осуществляют прокачку испытываемого бензина через нагретый до температуры 180±3°С инжектор в течение не более четырех суток, в каждые сутки из которых в течение 18 часов осуществляют впрыск топлива через нагретый инжектор в течение 0,2 с, с интервалом между впрысками 300 с, а в течение последующих 6 часов этих суток, при выключенном нагреве, инжектор выдерживают в нерабочем состоянии. По окончании испытания фиксируют цвет поверхности донышка инжектора, который сравнивают с цветовой шкалой, а склонность испытываемого бензина к образованию отложений оценивают в баллах, при этом каждые сутки после нерабочего состояния инжектора дополнительно оценивают герметичность его запорной иглы, при разгерметизации которой бензин считают некондиционным. Технический результат - сокращение продолжительности и повышение точности результатов испытаний. 1 табл., 2 ил.

Способ контроля за системой рециркуляции отработавших газов // 2577675

Изобретение может быть использовано при диагностике систем рециркуляции отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Способ контроля за системой рециркуляции отработавших газов (EGR), содержащей охладитель EGR, перепускной контур и клапан, выполненный с возможностью в активном состоянии направлять газы EGR в обход охладителя EGR, а в неактивном состоянии направлять газы EGR к охладителю системы EGR, заключается в следующем. Когда клапан охладителя неактивен, выдают указание о снижении эффективности системы EGR в соответствии с первой моделью EGR. Температурный результат первой модели EGR корректируют в зависимости от времени, в течение которого клапан был активен. Когда клапан охладителя активен, выдают указание о снижении эффективности системы EGR в соответствии со второй моделью EGR. Раскрыт вариант способа контроля за системой рециркуляции отработавших газов. Технический результат заключается в исключении ложных указаний о снижении эффективности работы системы рециркуляции отработавших газов. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

Устройство диагностирования и оценки технического состояния мехатронных приводов // 2578044

Изобретение относится к устройствам, обеспечивающим измерение двух или более переменных величин, и может быть использовано в составе оборудования, содержащего мехатронные приводы. Как известно, мехатронные устройства сочетают в себе узлы точной механики с блоками электроники и компьютерными устройствами, поэтому предлагаемое техническое решение рационально использовать при диагностике мотор-редукторов, а также станков с числовым программным управлением. Устройство диагностирования и оценки технического состояния мехатронных приводов содержит мехатронный модуль, включающий в себя узел точной механики с подключенными к нему электрическим двигателем и блоком управления. При этом устройство дополнительно содержит датчики сопротивления и силы тока, входы которых подключены к обмоткам электрического двигателя, а также датчики вибрации и температуры, установленные в корпусе мехатронного модуля. Выход датчика сопротивления подключен к блоку тестовой диагностики, а выходы датчиков силы тока, вибрации и температуры подключены к блоку расчета тренда и блоку функциональной диагностики. Выходы упомянутых блоков подключены к блоку расчета остаточного ресурса, выход которого подключен к блоку индикации. Блок расчета остаточного ресурса может быть выполнен на основе микропроцессорной системы, а блок индикации - на основе матричного LCD-индикатора. Техническим результатом является повышение точности диагностики мехатронных приводов за счет измерения и контроля не менее двух параметров, обеспечение возможности постоянного контроля состояния узлов точной механики мехатронного модуля и динамического расчета остаточного ресурса мехатронного привода, что в целом увеличивает его надежность. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.