Устройство определения технического состояния энергетического объекта

Полезная модель относится к оборудованию для контроля технического состояния сложных энергетических объектов, например, авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и может быть использована для диагностики ГТД в процессе их эксплуатации в реальном времени, при техническом обслуживании и/или после ремонта.

Устройство определения технического состояния энергетического объекта включает датчики параметров энергетического объекта, блок формирования показателя, по которому судят о техническом состоянии энергетического объекта, блок сравнения и задатчик эталонных значений тестируемых параметров энергетического объекта. Устройство оснащено вторым блоком формирования показателя, по которому судят о техническом состоянии энергетического объекта, сумматором, переключателем, а также блоком хранения и выдачи данных технического состояния энергетического объекта, связанным с выходом блока сравнения, входы блока сравнения связаны с выходами задатчика и переключателя, входы которого связаны с выходами первого и второго блоков формирования показателя, входы первого из которых связаны с датчиками, а второго с выходом сумматора, а входы сумматора связаны с датчиками.

1 п ф-лы, 1 илл.

Полезная модель относится к оборудованию для контроля технического состояния сложных энергетических объектов, например, авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и может быть использована для диагностики ГТД в процессе их эксплуатации в реальном времени, при техническом обслуживании и/или после ремонта.

Наиболее известные и широко используемые в настоящее время на практике средства для диагностирования технического состояния энергетических объектов обычно сочетают статистические методы оценки надежности (эксплуатация приводных агрегатов в целом по назначенному ресурсу) с контролем ограниченного количества функциональных параметров в процессе эксплуатации объекта.

В настоящее время довольно широко распространена вибрационная диагностика узлов и агрегатов объектов, основанная на использовании в качестве функционального параметра вибраций деталей, узлов и агрегатов объекта и определении по их значениям технического состояния объекта. В процессе работы объекта динамические процессы вызывают колебания корпуса, подшипников валов роторов, самих роторов, лопаток, установленных на роторах и пр. Для диагностирования объекта измеряют вибрационный сигнал и по его анализу делают вывод о его состоянии.

Известна система для контроля и диагностирования работы и состояния подшипников качения и других элементов трансмиссии ГТД, включающая устройство обработки информации, связанное с выходом преобразователя сигнала колебаний, связанного с первичным датчиком колебаний трубы слива масла от подшипника.

В процессе работы ГТД его турбина, размещенная в корпусе, закрытая кожухом, вращается вместе с валом, опирающимся на подшипник, установленный в собственном корпусе, опирающемся на силовые стойки. Масло, подаваемое к подшипнику, пройдя его, попадает в масляную полость и сливается в дренаж по трубе. Колебания, сопровождающие работу подшипника, ротора турбины с лопатками и других элементов двигателя, распространяясь по трубе слива масла, возбуждают колебания материала трубы, воспринимаемые преобразователем колебаний, от которого электрический сигнал по каналу связи поступает в устройство обработки информации. Устройство обработки информации проводит фильтрацию сигнала для выделения подшипниковых, лопаточных и других составляющих, оценку их уровней, суммирование для выделения детерминированной составляющей на фоне шума и ее преобразование для получения мгновенной частоты, по которой и судят о состоянии элементов ГТД. (см. патент РФ 2318194, кл. G01M 13/04, 2008 г.).

В результате анализа известной системы необходимо отметить, что она обладает значительной погрешностью, не позволяющей достоверно определить состояние двигателя, так как на колебания масляной трубы оказывают также влияние факторы, которые не учитываются при определении значения вибрации, такие, как цикличность изменения давления масла в трубе, температура масла и пр. Кроме того, невозможно полностью исключить влияние на характер вибрации элемента вибрации других элементов ГТД, что также ведет к повышению погрешности диагностики, при этом, в зависимости от конструкции двигателя не всегда можно установить преобразователь колебаний на трубе слива масла.

Известна система для диагностики технического состояния узлов и приводных агрегатов ГТД, включающая лазерный вибропреобразователь, соединенный с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом быстрого преобразователя Фурье вибрации, выходы данного блока соединены с входами блока сглаживания и установки номинальных пороговых значений в прямом спектре вибрации, блока выделения дискретных составляющих над порогом номинальных значений в спектре вибрации и блока полосовой фильтрации входной вибрации; первый выход быстрого преобразователя Фурье вибрации соединен с входом блока сглаживания и установки пороговых значений, выход которого соединен с входом блока выделения дискретных составляющих над порогом номинальных значений в спектре вибрации, выход которого соединен с входом блока анализа выделенных дискретных составляющих по спектру вибрации, выход которого соединен с входом блока оценки технического состояния диагностируемого механизма; второй выход быстрого преобразователя Фурье вибрации соединен с входом блока выделения дискретных составляющих над порогом номинальных значений в спектре вибрации; третий выход быстрого преобразователя Фурье вибрации соединен с входом блока полосовой фильтрации входной вибрации, выход которого соединен с входом блока определения огибающей вибрации, выход которого соединен с входом быстрого преобразователя Фурье огибающей вибрации; выходы быстрого преобразователя Фурье огибающей вибрации соединены с входами блока выделения дискретных составляющих над порогом номинальных значений в спектре огибающей вибрации и блока сглаживания и установки пороговых значений в спектре огибающей вибрации; выход блока сглаживания и установки пороговых значений в спектре огибающей вибрации соединен с входом блока выделения дискретных составляющих над порогом номинальных значений в спектре огибающей вибрации, выход которого соединен с входом блока анализа выделенных дискретных составляющих по спектру огибающей вибрации, выход которого соединен с входом блока оценки технического состояния диагностируемого механизма; выход постоянного запоминающего устройства соединен с входом блока выбора исходных данных и параметров для определения характерных частот вибрации механизмов; первый выход блока выбора исходных данных и параметров для определения характерных частот вибрации механизмов соединен с входом блока анализа сигнала по спектру вибрации; второй выход блока выбора исходных данных и параметров для определения характерных частот вибрации механизмов соединен с входом блока определения оборотов первичного вала; третий выход блока выбора исходных данных и параметров для определения характерных частот вибрации механизмов соединен с входом анализа по спектру огибающей вибрации; выходы блока определения оборотов первичного вала соединены с входами блока анализа по спектру вибрации и с входами блока анализа выделенных дискретных составляющих по спектру огибающей вибрации.

(см. патент РФ 2379645, к.G01M 15/14, 2010 г.) - наиболее близкий аналог.

В результате анализа известной системы необходимо отметить, что она обладает невысокой точностью, поскольку достоверно трудно установить связь между источниками возникновения вибрации и изменением спектра. Для серийных двигателей, находящихся в эксплуатации, такой способ контроля не облает оперативностью и требует наличия специальной аппаратуры и опытных специалистов Данная система, в которой использован лазерный вибропреобразователь, применима, в основном, в стационарных наземных условиях и не может быть использована на борту самолета непосредственно в полете.

Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение точности и надежности определения технического состояния энергетического объекта непосредственно в полете (для авиационных ГТД) и на моторных стендах при выпуске объекта в эксплуатацию и, тем самым, повышение безопасности эксплуатации энергетического объекта, например безопасности полетов.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в устройстве определения технического состояния энергетического объекта, включающем датчики параметров энергетического объекта, блок формирования показателя, по которому судят о техническом состоянии энергетического объекта, блок сравнения и задатчик эталонных значений тестируемых параметров энергетического объекта, новым является то, что устройство оснащено вторым блоком формирования показателя, по которому судят о техническом состоянии энергетического объекта, сумматором, переключателем, а также блоком хранения и выдачи данных технического состояния энергетического объекта, связанным с выходом блока сравнения, входы блока сравнения связаны с выходами задатчика и переключателя, входы которого связаны с выходами первого и второго блоков формирования показателя, входы первого из которых связаны с датчиками, а второго с выходом сумматора, а входы сумматора связаны с датчиками.

Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема устройства определения технического состояния энергетического объекта.

Устройство определения технического состояния энергетического объекта 1 содержит датчики 2 (D), в качестве которых могут быть использованы, например, датчики вибрации ротора для измерения отклонения виброскорости, датчики измерения параметров проточной части, например, давления и/или температуры рабочего тела.

Выходы датчиков 2 связаны с входами первого блока 3 формирования показателя, по которому судят о техническом состоянии энергетического объекта, а именно, показателя нормированного размаха (показателя Херста).

Выходы датчиков 2 также связаны с сумматором 4, выход которого связан с входом второго блока 5 формирования показателя, по которому судят о техническом состоянии энергетического объекта.

Выходы блоков 3 и 5 через управляемый, например, от энергетического объекта 1 переключатель 6 связаны с первым входом блока сравнения 7, со вторым входом которого связан выход задатчика 8 эталонных значений тестируемых параметров энергетического объекта, полученных, например, при его приемосдаточных испытаниях.

Выход блока сравнения 7 связан с блоком 9 хранения и выдачи данных технического состояния энергетического объекта. Блок 9 связан с блоком 10 визуализации результатов текущего тестирования объекта.

Представленное выше устройство скомпоновано из стандартных модулей и блоков.

В качестве блоков 3 и 5 могут быть использованы накопители информации, выполненные в виде цифровых блоков памяти, в которых сохраняется в табличном виде зависимость значения вибрации от частоты вращения ротора двигателя или другого параметра, характеризующего режим работы энергетического объекта. Данная зависимость может быть аппроксимирована одним из известных способов, например, степенным полиномом.

В качестве блока сравнения может быть использован широко известный логический блок «И/ИЛИ».

В качестве задатчика может быть использован отдельный процессорный блок.

В качестве блока хранения и выдачи информации может быть использован стандартный сервер вычислительного блока.

Устройство определения технического состояния энергетического объекта работает следующим образом.

Работу устройства рассмотрим на примере определения технического состояния авиационного ГТД.

Заявленное устройство позволяет определить техническое состояние как нового, так и капитально отремонтированного объекта, в данном случае - двигателя, причем определение и контроль его технического состояния могут быть осуществлены как в наземных условиях, так и в полете.

Для определения технического состояния энергетического объекта запускают энергетический объект, включают в работу блок 3 и отключают сумматор 4. Переключатель 6 переводят в положение, при котором выход блока 3 связан с первым входом блока сравнения 7. С датчиков 2 виброскорости, виброускорения и параметров проточной части объекта снимаются показания на разных заранее определенных стадиях работы двигателя, например, на запуске, рабочих нагрузках, предельных нагрузках). По показаниям датчиков определяют известным образом параметр, например, значение виброскорости. По полученной зависимости определяют показатель нормированного размаха (показатель Херста) значение которого сравнивают в блоке 7 с эталонным значением задатчика 8 и по расхождению данных показателей судят о техническом состоянии энергетического объекта (в данном случае - ГТД).

Из уровня техники известно, что у исправного двигателя значение виброскорости зависит от режима его работы. На определенном режиме ее (виброскорости) изменения (колебания относительно среднего значения) носят случайный характер. Возникновение неисправности, например, в подшипнике, приводит к нарушению этой случайности и далее - к возникновению тренда наблюдаемого параметра. Контролируется параметр, определяющий случайность процесса с помощью показателя нормированного размаха или показателя Херста. Если процесс случайный, то показатель Херста для данного параметра на заданном режиме имеет определенную величину, при нарушении случайности эта величина меняет свое значение. По степени ее изменения можно судить о нарушениях в техническом состоянии соответствующего узла объекта (подшипника, турбины, компрессора).

Если существующие методы, например, контроль отклонений параметров от своих начальных значений (базовых характеристик), основаны на сравнении измеряемой величины с допустимой в отдельных точках, то предлагаемое устройство, функционирующее на использовании показателя Херста позволяет анализировать процесс в целом, т.е. следить за утратой его случайности, что повышает надежность такого анализа.

Контроль тренда показателя нормированного размаха в отдельном полете или на отдельном запуске способствует выявлению на начальном этапе быстро развивающихся неисправностей (например, развитие трещины на лопатке и отрыв ее части). Контроль поведения показателя нормированного размаха в серии полетов способствует определению медленно развивающихся неисправностей, например, увеличению числа забоин на лопатках.

Контроль вибросостояния по показателю нормированного размаха эффективен для оценки состояния узлов роторной части с точки зрения их механической целостности, в то время как использование параметров проточной части (температур и давления) для расчета показателя Херста может быть использовано для оценки объекта и его отдельных узлов как тепловой машины,

При необходимости использования в качестве диагностики нескольких серий включений энергетического объекта (ГТД) отключают блок 3 и включают сумматор 4, переключатель 6 при этом переводят в положение, при котором с первым входом блока сравнения 7 связан выход блока 5.

В процессе тестирования проводят серию полетов или пусков ГТД, определяют в сумматоре усредненный показатель, который передают на блок 5. В блоке 5 программный расчет нормированного размаха может быть осуществлен следующим образом:

Для определения нормированного размаха используются следующие наблюдаемые и вычисляемые величины:

x(t) - случайная величина, рассматриваемая в дискретные промежутки времени t_i. В нашем случае x(t) - это отклонение измеренного значения виброскорости от соответствующего значения, вычисленного по базовой виброхарактеристике.

Время - время наблюдения. При анализе вибросостояния двигателя обычно используются ежесекундные измерения и можно выполнять расчеты показателя Херста через каждую секунду, но это занимает много расчетного времени, поэтому с целью сокращения числа расчетов, они выполнялись через каждые 5 секунд работы двигателя. Так, что время наблюдения изменяется от 5 секунд до времени совершения одного полета и далее до суммарного времени серии полетов.

Среднее значение наблюдаемой величины за время наблюдения _i

и стандартное отклонение за это время

.

Накопившееся отклонение X(t) измеренных значений виброскорости x(t_i) от своих средних значений за время _i,

.

Разность R(_i) между максимальным и минимальным значениями X(t, _i) в промежутке наблюдения _i

.

Безразмерное отношение (нормированный размах)

.

Закон Херста

Здесь Н - показатель Херста

Для многих природных явлений Н=0,72±0,08 или Н=0,73±0,09.

Параметры, полученные в блоке 5 передаются в элемент сравнения, где сравниваются с заданными задатчиком 8. Результаты сравнения поступают в блок 9 и визуализируются на блоке 10.

Для оперативной сигнализации при значительном отклонении характеристик от заданных в устройстве может быть предусмотрен сигнальный элемент (например, звуковй или световой - не показан), который сигнализирует о нештатном состоянии объекта, что позволяет исключить аварийную ситуацию при проведении диагностирования.

Устройство определения технического состояния энергетического объекта, включающее датчики параметров энергетического объекта, блок формирования показателя, по которому судят о техническом состоянии энергетического объекта, блок сравнения и задатчик эталонных значений тестируемых параметров энергетического объекта, отличающееся тем, что устройство оснащено вторым блоком формирования показателя, по которому судят о техническом состоянии энергетического объекта, сумматором, переключателем, а также блоком хранения и выдачи данных технического состояния энергетического объекта, связанным с выходом блока сравнения, входы блока сравнения связаны с выходами задатчика и переключателя, входы которого связаны с выходами первого и второго блоков формирования показателя, входы первого из которых связаны с датчиками, а второго - с выходом сумматора, а входы сумматора связаны с датчиками.