Диагностирование по параметрам вибрации
В эксплуатационных условиях контроль вибрации используется:
для оценки допустимости ее уровня в интересах обеспечения динамической прочности элементов конструкции двигателя (допустимые уровни устанавливаются нормативными документами);
для определения технического состояния ГТД и типа неисправности по характеру изменения вибрации.
Диагностирование изменения состояния ГТД связано с анализом тенденций изменения параметров вибрации от времени эксплуатации и выполняется по результатам ее регистрации в 10...40 полетах в сходных высотно-скоростных и режимных условиях работы двигателя.
Можно выделить несколько типов поведения вибрации, которые связаны с развитием неисправностей в роторной части двигателя: тренд, скачок, выброс и разброс (рис. 44).
Рис. 44. Изменение параметров вибрации [14]
Монотонный рост уровня вибрации - тренд (рис. 44а) свидетельствует об относительно медленном развитии неисправности, связанной с износом элементов проточной части или подшипников ротора.
Выброс – это скачкообразное увеличение вибрации с последующим возвращением к исходному уровню (рис. 44б). Возможная причина – неисправность виброизмерительной аппаратуры.
Скачок уровня вибрации (рис. 44в) может быть обусловлен мгновенным изменением неуравновешенности ротора из-за повреждения лопаток ротора посторонними предметами.
Появление значительной нестабильности уровня вибрации во времени (рис. 44г) может быть связано с влиянием внешних факторов, либо с ослаблением крепления двигателя и появлением резонансов в районе рабочих оборотов.
Вышеуказанные признаки могут проявляться и у исправных двигателей, поэтому необходим комплексный подход к анализу сигналов вибрации, включающий такие виды обработки, как спектральный анализ прямого и преобразованного спектра, полосовую фильтрацию, детектирование, статистический анализ. Ниже рассмотрены эти виды обработки сигналов более подробно.
На сколько эффективными бы ни были привёденные методы диагностирования, у всех них есть свои недостатки, заключающиеся в неоднозначности значения диагностических параметров, что приводит к дополнительным временным затратам на поиск причин и проверку достоверности информации. Например, изменение структурных геометрических параметров рабочей лопатки КВД (наличие эрозионного износа, забоины, вмятины, царапины, потеря материала) приводит к возникновению неуравновешенности ротора, проявляющейся в повышении уровня вибрации двигателя. В свою очередь, значение уровня вибрации имеет прямую связь с целостностью и состоянием подшипниковых опор. Для точного определения причины неисправности требуются более совершенные методы диагностирования, имеющие прямую связь между диагностическими и структурными параметрами.
Перспективный метод регистрации повреждений элементов проточной части авиационных газотурбинных двигателей семейства cfm56
Одним из непременных условий реализации перспективных методов технического обслуживания газотурбинных двигателей является широкое использование совокупности различных методов и средств технической диагностики, которые должны обеспечить обнаружение дефектов на ранней стадии их развития для обеспечения своевременного проведения ремонтных работ и недопущения аварии [19].
Подавляющее большинство дефектов проточной части ГТД характеризуется изменением геометрических характеристик отдельных элементов (обрыв, разрушение, трещины, забоины, нагар, эрозивный и абразивный износ, искривление роторных и статорных лопаток, прогар камеры сгорания и пр.) или их кинематических параметров (помпажные явления, возрастание уровня колебаний лопаток, изменение параметров вибрации, биение вала ротора, неравномерность вращения и др.).
Для оценки состояния элементов проточной части наиболее широко используются неконтактные и виброакустические средства, которые, несмотря на свои очевидные преимущества, не в полной мере обеспечивают достоверный оперативный контроль элементов ГТД. Одним из факторов, сдерживающих применение названных систем на «горячих» частях двигателя, является ограниченный диапазон рабочих температур их первичных датчиков. В последние годы получил развитие метод контроля состояния и диагностики ГТД, основанный на использовании радиолокационных измерений, который обеспечивает автоматический контроль состояния подвижных элементов в процессе функционирования ГТД без проведения сборочно-разборочных работ.
Независимо от назначения радиолокационных систем, принцип их действия основан на излучении электромагнитных колебаний частотой от 3 до 40 ГГц в направлении движущихся элементов ГТД и приеме сигнала, сформированного в результате отражений от диагностируемых элементов и их окружения. Вращение ротора приводит к постоянному изменению положения роторных лопаток относительно антенн и возникновению сигнала, обусловленного параметрами поля вблизи приемной антенны (рис. 45). Параметры этого поля зависят от движения роторных лопаток, а также от их формы, линейных размеров, отражающих свойств и положения относительно излучающей и приемной антенн.
Рис. 45. Принцип формирования сигнала и состав радиолокационной системы
В общем случае в состав радиолокационной измерительной системы могут входить (рис. 45): антенны, линии передачи сигналов, приемо-передатчик СВЧ сигналов (радар), а также блок управления, питания и обработки.
В зависимости от назначения радиолокационных систем, могут быть определены относительные или абсолютные параметры движения облучаемых элементов, например, роторных лопаток (частота вращения или колебания, изменение периодичности и скорости движения и пр.) и (или) определен факт изменения их формы, размеров или положения (износ, разрушение, коробление, нагар, изменение радиального зазора и пр.).
Наилучшие результаты могут быть получены при оптимизации конструкции радара, его структурной схемы, методов выделения полезной информации из принимаемых сигналов и алгоритмов их обработки для решения конкретной контрольной или измерительной задачи на конкретном типе двигателя. Однако, во многих случаях возможно использование одного и того же микроволнового датчика для решения различных задач. Например, при расположении антенны в районе первой ступени компрессора возможно определение частоты вращения ротора, его углового положения, радиальных зазоров и параметров колебания роторных лопаток.
Далее приводятся краткие результаты, полученные в разное время ООО «Радарные технологии – 2Т» в натурных условиях при использовании микроволновых датчиков для определения факта повреждения роторных лопаток, определения частот вращения роторов двухвального двигателя, вибрации статичных и вращающихся роторных лопаток, а также определения прохождения через проточную часть посторонних предметов.