Результат интеллектуальной деятельности: Способ диагностики технического состояния двухконтурного газотурбинного двигателя при эксплуатации

Изобретение относится к области измерительной техники, к испытаниям, доводке, диагностике и эксплуатации реактивных двигателей, а конкретно к способам диагностики технического состояния двухконтурного газотурбинного двигателя по газодинамическим параметрам потока.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ диагностики технического состояния двухконтурного газотурбинного двигателя при эксплуатации, включающий измерение параметров, характеризующих среду и режим работы двигателя, фиксирование исходных значений газодинамических параметров потока в сравнительном бездефектном газотурбинном двигателе до выработки им ресурса на установившихся режимах работы в начале эксплуатации, измерение полей газодинамических параметров потока двигателя, находящегося в процессе эксплуатации, и сравнение их с полями газодинамических параметров потока на тех же режимах работы, определение по отклонениям газодинамических параметров потока и тяги и определение технического состояния, типов конкретных дефектов и их местонахождения в диагностируемом двигателе /RU 2 118 810 МПК G01M 15/00 Опубликовано: 10.09.1998/.

Данный способ можно использовать для диагностики технического состояния газотурбинного двигателя по газодинамическим параметрам потоков газа измеренных за соплом двигателя. Недостатком способа является сложность измерений, связанная с ориентацией гребенки датчиков за соплом, значительные затраты и недостаточная точность диагностики технического состояния отдельных элементов проточной части газотурбинного двигателя по определению конкретного дефекта и его местонахождения.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности и достоверности при диагностике состояния элементов проточной части газотурбинного двигателя и определении конкретного дефекта и его местонахождения.

Поставленная задача решается тем, что в способе диагностики технического состояния двухконтурного газотурбинного двигателя при эксплуатации, включающем измерение параметров, характеризующих среду и режим работы двигателя, измерение исходных значений газодинамических параметров потока в сравнительном бездефектном газотурбинном двигателе до выработки им ресурса на установившихся режимах работы в начале эксплуатации, измерение полей газодинамических параметров потока двигателя, находящегося в процессе эксплуатации, и сравнение их с полями газодинамических параметров потока на тех же режимах работы, определение по отклонениям газодинамических параметров потока и тяги и определение технического состояния, типов конкретных дефектов и их местонахождения в диагностируемом двигателе, по предложению, диагностику технического состояния проводят при одной и той же выбранной из рабочего диапазона приведенной частоте вращения ротора низкого давления, по приведенным к стандартным атмосферным условиям отклонениям текущих значений параметров от исходных, определяемым по зависимостям:

где:

- степень изменения расхода топлива;

- степень изменения температуры газа за турбиной;

- степень изменения давление воздуха за компрессором;

G_{т пр тех} - приведенный расход топлива, подаваемого в камеру сгорания двигателя, текущий;

G_{т пр исх} - приведенный, расход топлива, подаваемого в камеру сгорания двигателя, исходный;

- приведенная полная температура газа за турбиной, текущая;

- приведенная полная температура газа за турбиной, исходная;

P_{к пр тек} - приведенное давление воздуха за компрессором, текущее;

P_{к пр исх} - приведенное давление воздуха за компрессором, исходное, при этом отрицательные значения свидетельствуют о загрязнении газовоздушного тракта двигателя или утечках воздуха из тракта компрессора низкого давления, а положительные значения свидетельствуют об ухудшении КПД компрессора низкого давления и/или компрессора высокого давления, и/или турбины высокого давления, и/или турбины низкого давления, причем положительные значения и отрицательное значение свидетельствуют об отборе воздуха из тракта компрессора высокого давления.

Предложенный способ диагностики предполагает измерение и использование для диагностики информации о состоянии двигателя, газодинамических параметров потока внутри проточной части газотурбинного двигателя и информации об окружающей двигатель среде.

В качестве параметров, характеризующих среду и режим работы двигателя, приняты: температура воздуха на входе в двигатель - Т_вх, барометрическое давление - Р_бар, полная температура газа за турбиной - Т₄*, давление воздуха за компрессором - Р_к, частота вращения ротора низкого давления - nl, расход топлива, подаваемого в камеру сгорания двигателя, - G_T. Принятые параметры приводят к стандартным атмосферным условиям, а контроль технического состояния проводят при одном и том же выбранном значении приведенной частоты вращения ротора низкого давления - nl_пр, по рассчитанным по параметрам зависимостям (приведенным выше), характеризующим: - степень изменения расхода топлива; - степень изменения температуры газа за турбиной; - степень изменения давление воздуха за компрессором за период эксплуатации двигателя от начала. При этом о загрязнении газовоздушного тракта двигателя или утечках воздуха из тракта компрессора низкого давления, об ухудшении КПД компрессора низкого давления и/или компрессора высокого давления, и/или турбины высокого давления, и/или турбины низкого давления и об отборе воздуха из тракта компрессора высокого давления судят по положительным или отрицательным значениям степеней изменения параметров .

На чертеже представлена схема мест измерения параметров на двухконтурном газотурбинном двигателе и связанного с ним устройства для обработки информации.

Двухконтурный газотурбинный двигатель 1 имеет проточный контур газовой смеси 2, вал ротора низкого давления 3 и места расположения датчиков для измерения параметров: замера температуры воздуха на входе в двигатель - Т_вх, барометрического давления - Р_бар, полной температуры газа за турбиной - Т₄*, давления воздуха за компрессором - Р_к, и частоты вращения ротора низкого давления - nl. Для измерения расхода топлива, подаваемого в камеру сгорания, использован штатный датчик двигателя - G_T. Установка снабжена автоматической системой записи показаний датчиков, содержит коммутатор 4, аналого-цифровой преобразователь 5, ЭВМ 6, дисплей 7 и принтер 8. Датчики для измерения параметров по измерительным линиям D₁…D_n соединены с коммутатором 4, аналого-цифровым преобразователем 5 и ЭВМ 6.

Диагностику технического состояния двухконтурного газотурбинного двигателя осуществляли следующим образом.

На бездефектном двухконтурном газотурбинном двигателе до выработки им ресурса на установившихся режимах работы в местах расположения датчиков для измерения параметров одновременно проводили замеры: температуры воздуха на входе в двигатель - Т_вх, барометрического давления - Р_бар, полной температуры газа за турбиной - Т₄*, давления воздуха за компрессором - Р_К;, частоты вращения ротора низкого давления - nl. Сигнал с датчиков по линиям D₁…D_n поступал на коммутатор 4, откуда через аналого-цифровой преобразователь 5 в ЭВМ 6. В ЭВМ 6 производился перерасчет показателей датчиков на стандартные условия, создавался банк данных, которые соответствуют бездефектному состоянию элементов проточной части двигателя.

Рассчитывали тягу двигателя соответственно на каждом режиме работы. Через заданное время эксплуатации двигателя при частоте вращения ротора низкого давления - nl, величина которой соответствует исходной в начале эксплуатации, повторяли замеры показателей датчиков и производили перерасчет показателей датчиков на стандартные условия. Если частота вращения ротора низкого давления - nl через заданное время эксплуатации двигателя не соответствовала начальной частоте, то перед началом замеров двигатель специально регулировался. Полученные данные с помощью ЭВМ систематизировались в банк данных, и производился расчет степеней изменения параметров , по формулам приведенным выше. Рассчитывали значение тяги через заданное время эксплуатации двигателя. Сравнивали значение тяги и степени изменения параметров с их допустимыми базовыми значениями. При наличии отклонений степеней изменения параметров и тяги диагностируемого двигателя от базовых, принимали, что отрицательные значения свидетельствуют о загрязнении газовоздушного тракта двигателя или утечках воздуха из тракта компрессора низкого давления, а положительные значения свидетельствуют об ухудшении КПД компрессора низкого давления и/или компрессора высокого давления, и/или турбины высокого давления, и/или турбины низкого давления, причем положительные значения и отрицательное значение свидетельствуют об отборе воздуха из тракта компрессора высокого давления. В таблице 1 приведены результаты измерения параметров, характеризующих среду и режим работы двигателя, полученные в результате диагностики технического состояния двухконтурного газотурбинного двигателя АЛ 31СТ. Приведены зафиксированные исходные значений параметров, а также параметров при различных сроках от начала его эксплуатации. В таблице 2 приведены расчеты степеней изменения параметров и сведения о состоянии двигателя, полученные в результате сравнения с их допустимыми значениями отклонений и с учетом условий, предложенных в техническом решении.

Таким образом, осуществляется качественная и надежная диагностика технического состояния двигателей, повышаются точность и достоверность оценки состояния элементов проточной части газотурбинного двигателя, повышается точность определения вида конкретного дефекта и его местонахождения, расширяется сфера применений способа, который можно осуществить как на стенде при испытании новых двигателей, так и в аэродромных условиях для определения дефектов двигателей, находящихся в эксплуатации.

*) - nl_пр=87% - приведенная частота вращения ротора низкого давления.