RU202238U1 - Gas turbine engine bearing residual life prediction device - Google Patents

Abstract

Translated fromRussian

Полезная модель относится к вибродиагностированию технического состояния газотурбинных двигателей средств электроснабжения вооружения, военной и специальной техники и может быть использована для целей оценки технического состояния газотурбинных двигателей по величине износа критически важных подшипниковых узлов.Целью полезной модели является создание устройства для прогнозирования остаточного ресурса подшипника, позволяющего в реальном времени непрерывно отслеживать динамику износа подшипника ступени турбокомпрессора и в автоматическом режиме выдавать заключение о текущем техническом состоянии ГТД и оценивать его оставшийся ресурс.Устройство прогнозирования остаточного ресурса подшипника газотурбинного двигателя, включающее блок первичной обработки экспериментальных данных, блок статистической обработки экспериментальных данных, блок нейросетевой обработки статистических данных, блок принятия решений, библиотеку эталонных значений виброхарактеристик подшипника качения в зависимости от срока наработки газотурбинного двигателя, систему цифровой индикации о техническом состоянии двигателя, и выполненное с возможностью соединения и принятия сигналов от датчиков виброускорения, размещаемых в районе участка корпуса центробежного компрессора, наиболее близко расположенного в верхней плоскости к переднему подшипнику ступени компрессора и от устройства, осуществляющего контроль за техническим состоянием системы смазки и суфлирования газотурбинного двигателя.The utility model relates to vibration diagnostics of the technical condition of gas turbine engines for power supply of weapons, military and special equipment and can be used to assess the technical condition of gas turbine engines by the amount of wear of critical bearing assemblies. continuously monitor the dynamics of the bearing wear of the turbocharger stage in real time and automatically issue an opinion on the current technical condition of the gas turbine engine and estimate its remaining resource. statistical data, decision block, library of reference values of vibration characteristics of a rolling bearing depending on the operating time of the gas turbine engine, a digital display system about the technical condition of the engine, and made with the ability to connect and receive signals from vibration acceleration sensors located in the area of the centrifugal compressor casing that is closest in the upper plane to the front bearing of the compressor stage and from the device that monitors for the technical condition of the lubrication and venting system of the gas turbine engine.

Description

Translated fromRussian

Актуальность создания данного устройства обусловлена тем, что зачастую в составе газотурбинных двигателей средств электроснабжения вооружения, военной и специальной техники отсутствует штатная система мониторинга в реальном времени его технического состояния.The relevance of the creation of this device is due to the fact that often in the composition of gas turbine engines for power supply of weapons, military and special equipment, there is no standard system for real-time monitoring of its technical condition.

Предлагаемое устройство позволит в реальном времени непрерывно отслеживать динамику износа подшипника ступени турбокомпрессора, в автоматическом режиме выдавать заключение о текущем техническом состоянии ГТД и оценивать его оставшийся ресурс по состоянию подшипника.The proposed device will allow in real time to continuously monitor the dynamics of wear of the turbocharger stage bearing, automatically issue an opinion on the current technical condition of the gas turbine engine and evaluate its remaining resource based on the bearing condition.

По мере увеличения срока наработки подшипника качения в газотурбинном двигателе, сопровождающегося закономерным увеличением текущего значения коэффициента износа подшипника начинается переход равномерного (гладкого) износа в неравномерный износ, то есть, износ элементов конструкции подшипника, характеризующийся появлением первых микродеформаций (микротрещин, раковин) тел качения и поверхностей колец.As the operating time of a rolling bearing in a gas turbine engine increases, accompanied by a regular increase in the current value of the bearing wear factor, the transition of uniform (smooth) wear to uneven wear begins, that is, wear of the bearing structure elements, characterized by the appearance of the first microdeformations (microcracks, cavities) of the rolling elements and surfaces of rings.

Этот процесс уже характеризуется непрерывным ростом амплитуд высокочастотных гармоник вибросигналов. Как следствие, рост этих амплитуд закономерным образом увеличивает высокочастотные ударные виброускорения и дополнительно повышает интенсивность неравномерного износа элементов конструкции подшипника качения.This process is already characterized by a continuous increase in the amplitudes of high-frequency harmonics of vibration signals. As a consequence, an increase in these amplitudes naturally increases high-frequency shock vibration accelerations and additionally increases the intensity of uneven wear of rolling bearing structural elements.

В процессе дальнейшей работы подшипника качения в компрессоре газотурбинного двигателя, сопровождающегося дальнейшим увеличением значения коэффициента относительного износа подшипника качения, неравномерный износ переходит в эрозионный, сопровождающийся появлением и дальнейшим углублением царапин, микросколов, микротрещин, выбоин, каверн на рабочих поверхностях тел качения и поверхностей колец подшипника качения. При этом высокочастотные ударные виброускорения резко возрастают.In the process of further operation of the rolling bearing in the compressor of a gas turbine engine, accompanied by a further increase in the value of the coefficient of relative wear of the rolling bearing, uneven wear turns into erosive wear, accompanied by the appearance and further deepening of scratches, micro-chips, microcracks, dents, cavities on the working surfaces of the rolling elements and the surfaces of the bearing rings rolling. In this case, high-frequency shock vibration accelerations increase sharply.

В ходе дальнейшей эксплуатации подшипник качения переходит в режим последней фазы работоспособности, при котором происходит сначала существенное нарушение геометрии основных конструктивных элементов, а затем и их макроразрушение: сколы и срезы шариков, раскалывание колец и разрушение сепараторов.In the course of further operation, the rolling bearing enters the mode of the last phase of operability, in which first a significant violation of the geometry of the main structural elements occurs, and then their macro-destruction: chips and cuts of balls, splitting of rings and destruction of separators.

Известно 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, сумматором, переключателем, а также блок 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. [Патент на полезную модель 127192 от 18.10.2012, МПК G01M 15/14. Устройство определения технического состояния энергетического объекта / Добрянский Г.В., Мельникова Н.С., Короткое В.Б.].A device for determining the technical state of an energy object is known, including sensors of parameters of an energy object, a unit for forming an indicator by which the technical state of an energy object is judged, a comparison unit and a setter of reference values of the tested parameters of an energy object, an adder, a switch, as well as a unit for storing and issuing technical data. the state of the energy object associated with the output of the comparison unit, the inputs of the comparison unit are connected to the outputs of the master and the switch, the inputs of which are connected to the outputs of the first and second blocks of the indicator formation, the inputs of the first of which are connected to the sensors, and the second to the output of the adder, and the inputs of the adder connected with sensors. [Patent for utility model 127192 dated 18.10.2012, IPC G01M 15/14. Device for determining the technical state of an energy facility / Dobryanskiy G.V., Melnikova NS, Korotkoe V.B.].

Известна система вибродиагностики газотурбинного двигателя включающая датчики частоты вращения ротора и вибрации ротора двигателя, блок формирования эталонной виброхарактеристики в зависимости от частоты вращения ротора, блок формирования полетной виброхарактеристики, связанный с датчиками, первый блок сравнения, задатчик порогового значения, блок сигнализации, блок формирования базовой виброхарактеристики, блок формирования локальных эксплуатационных виброхарактеристик, второй, третий и четвертый блоки сравнения, счетчик и задатчик числа полетов, вход блока формирования локальных эксплуатационных виброхарактеристик связан с датчиками, а выход - с первым входом первого блока сравнения, со вторым входом которого связан выход блока формирования базовой виброхарактеристики, входы которого соединены с датчиками, выход первого блока сравнения связан с первым входом второго блока сравнения, со вторым входом которого связан задатчик порогового значения, выход второго элемента сравнения связан через ключ с блоком формирования эталонной характеристики вибросигнала, выход блока формирования полетной виброхарактеристики связан с первым входом третьего блока сравнения, со вторым входом которого связан выход блока формирования эталонной виброхарактеристики вибросигнала, а выход третьего блока сравнения связан с блоком сигнализации, при этом счетчик полетов и задатчик полетов связаны соответственно с первым и вторым входами четвертого блока сравнения, выход которого связан с ключом. [Патент на полезную модель 121073 от 10.10.2012, МПК G01M 15/14. Система вибродиагностики газотурбинного двигателя / Добрянский Г.В., Мельникова Н.С. и др.].A known system for vibration diagnostics of a gas turbine engine includes sensors for the rotor speed and vibration of the engine rotor, a unit for forming a reference vibration characteristic depending on the rotor speed, a unit for forming a flight vibration characteristic associated with the sensors, a first comparison unit, a threshold value generator, an alarm unit, a unit for forming a basic vibration characteristic , the unit for the formation of local operational vibrocharacteristics, the second, third and fourth comparison units, the counter and setpoint of the number of flights, the input of the unit for the formation of local operational vibrocharacteristics is connected to the sensors, and the output is connected to the first input of the first comparison unit, the second input of which is connected to the output of the unit for the formation of the base vibration characteristics, the inputs of which are connected to the sensors, the output of the first comparison unit is connected to the first input of the second comparison unit, to the second input of which the threshold value adjuster is connected, the output of the second comparison element is connected through a key with a block for generating the reference vibration characteristic, the output of the flight vibration characteristic formation unit is connected to the first input of the third comparison unit, the second input of which is connected to the output of the vibration signal reference vibration characteristic generation unit, and the output of the third comparison unit is connected to the signaling unit, while the flight counter and the setpoint flights are connected, respectively, with the first and second inputs of the fourth comparison unit, the output of which is associated with the key. [Patent for utility model 121073 from 10.10.2012, IPC G01M 15/14. Gas turbine engine vibration diagnostics system / Dobriansky G.V., Melnikova N.S. and etc.].

Недостатком данных устройств является отсутствие возможности, позволяющей в реальном времени непрерывно отслеживать динамику износа подшипника ступени турбокомпрессора и в автоматическом режиме выдавать заключение о текущем техническом состоянии двигателя.The disadvantage of these devices is the lack of the ability to continuously monitor the dynamics of the bearing wear of the turbocharger stage in real time and automatically issue an opinion on the current technical condition of the engine.

Известно устройство контроля вибрации, содержащее размещенные в электронном блоке первый и второй информационно-измерительные каналы, вход каждого из которых предназначен для приема сигнала о вибросостоянии соответствующего двигателя, а каждый из двух выходов предназначен для выдачи информации во взаимодействующие системы по проводной и информационной линиям связи, отличающееся тем, что в его состав дополнительно введены расположенные в электронном блоке первая и вторая кросс-платы, содержащие, каждая, выходные линии связи соответствующего ей информационно-измерительного канала, а оба информационно-измерительных канала смонтированы на единой, общей для них, печатной плате и размещены в ее противолежащих участках, причем обе кросс-платы расположены перпендикулярно друг другу и перпендикулярно единой печатной плате. [Патент на полезную модель 166576 от 10.12.2016, МПК G01M 15/14. Устройство контроля вибрации / Новиков Ю.И., Столяров Ю.Г., Котенева О.Е.].A vibration control device is known, containing the first and second information-measuring channels located in the electronic unit, the input of each of which is designed to receive a signal about the vibration state of the corresponding engine, and each of the two outputs is intended to provide information to interacting systems via wire and information communication lines, characterized in that it additionally includes the first and second cross-boards located in the electronic unit, each containing the output communication lines of the corresponding information-measuring channel, and both information-measuring channels are mounted on a single, common for them, printed circuit board and placed in its opposite areas, and both backplanes are located perpendicular to each other and perpendicular to a single printed circuit board. [Patent for utility model 166576 from 10.12.2016, IPC G01M 15/14. Vibration control device / Yu.I. Novikov, Yu.G. Stolyarov, O.E. Koteneva].

Недостатком существующего устройства является большой объем ручных измерений величины вибрации на исследуемом подшипнике.The disadvantage of the existing device is the large volume of manual measurements of the vibration value on the bearing under study.

Задачей полезной модели и ее техническим результатом является создание устройства для прогнозирования остаточного ресурса подшипника, позволяющего в реальном времени непрерывно отслеживать динамику износа подшипника ступени турбокомпрессора и в автоматическом режиме выдавать заключение о текущем техническом состоянии ГТД и оценивать его оставшийся ресурс.The task of the utility model and its technical result is to create a device for predicting the residual bearing life, which allows in real time to continuously monitor the dynamics of the bearing wear of the turbocharger stage and automatically issue a conclusion on the current technical condition of the GTE and estimate its remaining life.

Поставленная цель достигается устройством прогнозирования остаточного ресурса подшипника газотурбинного двигателя, включающее блок первичной обработки экспериментальных данных, блок статистической обработки экспериментальных данных, блок нейросетевой обработки статистических данных, блок принятия решений, библиотеку эталонных значений виброхарактеристик подшипника качения в зависимости от срока наработки газотурбинного двигателя, систему цифровой индикации о техническом состоянии двигателя, и выполненное с возможностью соединения и принятия сигналов от датчиков виброускорения, размещаемых в районе участка корпуса центробежного компрессора, наиболее близко расположенного в верхней плоскости к переднему подшипнику ступени компрессора и от устройства, осуществляющего контроль за техническим состоянием системы смазки и суфлирования газотурбинного двигателя.This goal is achieved by a device for predicting the residual life of a bearing of a gas turbine engine, which includes a unit for primary processing of experimental data, a unit for statistical processing of experimental data, a unit for neural network processing of statistical data, a decision making unit, a library of reference values of vibration characteristics of a rolling bearing depending on the operating time of a gas turbine engine, a digital system indication of the technical condition of the engine, and made with the possibility of connecting and receiving signals from vibration acceleration sensors located in the area of the centrifugal compressor casing section, which is most closely located in the upper plane to the front bearing of the compressor stage and from a device that monitors the technical condition of the lubrication and venting system gas turbine engine.

Указанные отличительные признаки являются существенными для достижения цели и получения технического результата предполагаемой полезной модели.These distinctive features are essential for achieving the goal and obtaining the technical result of the proposed utility model.

Блок первичной обработки экспериментальных данных осуществляет прием, запись и долговременного хранения экспериментальных данных о текущем значении виброускорения на корпусе подшипника вала газотурбинного двигателя, а также их спектрального преобразования.The block for the primary processing of experimental data receives, records and long-term storage of experimental data on the current value of vibration acceleration on the bearing housing of the gas turbine engine shaft, as well as their spectral transformation.

Блок статистической обработки экспериментальных данных предназначен для выполнения статистического анализа полученных экспериментальных данных о текущем значении виброускорения на корпусе подшипника вала газотурбинного двигателя путем обработки полученных спектрограмм вибросигнала и вычисления средней амплитуды огибающей сигнала виброускорения.The block for statistical processing of experimental data is designed to perform statistical analysis of the obtained experimental data on the current value of vibration acceleration on the bearing housing of the shaft of a gas turbine engine by processing the received spectrograms of the vibration signal and calculating the average amplitude of the envelope of the vibration acceleration signal.

Блок нейросетевой обработки статистических данных предназначен для анализа результатов статистической обработки экспериментальных данных о текущем значении виброускорения на корпусе подшипника вала газотурбинного двигателя и оценке его остаточного ресурса.The unit of neural network processing of statistical data is designed to analyze the results of statistical processing of experimental data on the current value of vibration acceleration on the bearing housing of the gas turbine engine shaft and to assess its residual life.

Блок принятия решений выполняет функцию экспертной системы по оценке целесообразности дальнейшей эксплуатации газотурбинного двигателя либо его аварийной остановке.The decision-making unit performs the function of an expert system to assess the feasibility of further operation of the gas turbine engine or its emergency stop.

Библиотека эталонных значений виброхарактеристик подшипника качения в зависимости от срока наработки в газотурбинном двигателе предназначена для хранения стандартных виброхарактеристик подшипников вала ротора двигателя и применяемых при работе блока нейросетевой обработки статистических данных.The library of reference values of vibration characteristics of a rolling bearing, depending on the operating time in a gas turbine engine, is intended for storing standard vibration characteristics of bearings of the rotor shaft of the engine and used during the operation of the neural network processing unit of statistical data.

Система цифровой индикации о техническом состоянии газотурбинного двигателя, блок сопряжения стружкоанализатора и стружкоанализатор относятся к вспомогательным системам и выполняют функции по дополнительному контролю за техническим состоянием системы смазки и суфлирования газотурбинного двигателя и взаимодействию с блоком принятия решения, а также для наглядной аудиовизуальной индикации технического состояния контролируемого газотурбинного двигателя.The digital display system about the technical condition of the gas turbine engine, the chip analyzer interface unit and the chip analyzer are auxiliary systems and perform functions for additional monitoring of the technical state of the gas turbine engine lubrication and venting system and interaction with the decision making unit, as well as for visual audiovisual indication of the technical condition of the controlled gas turbine engine.

Осуществление технического результата достигается устройством для прогнозирования остаточного ресурса подшипника газотурбинного двигателя (Фиг. 1), включающим в себя корпус центробежного компрессора (1), наиболее близко расположенный в верхней плоскости к переднему подшипнику ступени компрессора, блок первичной обработки экспериментальных данных (2), блок статистической обработки экспериментальных данных (3), блок нейросетевой обработки статистических данных (4), блок принятия решений (5), библиотеку эталонных значений виброхарактеристик (6) подшипника качения в зависимости от срока наработки газотурбинного двигателя, систему цифровой индикации (7) о техническом состоянии двигателя.The implementation of the technical result is achieved by a device for predicting the residual life of a bearing of a gas turbine engine (Fig. 1), which includes a centrifugal compressor casing (1), which is most closely located in the upper plane to the front bearing of the compressor stage, a block for primary processing of experimental data (2), a block statistical processing of experimental data (3), a neural network processing unit of statistical data (4), a decision-making unit (5), a library of reference values of vibration characteristics (6) of a rolling bearing depending on the operating time of a gas turbine engine, a digital display system (7) about the technical condition engine.

Claims (1)

Translated fromRussian

Устройство прогнозирования остаточного ресурса подшипника газотурбинного двигателя, включающее блок первичной обработки экспериментальных данных, блок статистической обработки экспериментальных данных, блок нейросетевой обработки статистических данных, блок принятия решений, библиотеку эталонных значений виброхарактеристик подшипника качения в зависимости от срока наработки газотурбинного двигателя, систему цифровой индикации о техническом состоянии двигателя, и выполненное с возможностью соединения и принятия сигналов от датчиков виброускорения, размещаемых в районе участка корпуса центробежного компрессора, наиболее близко расположенного в верхней плоскости к переднему подшипнику ступени компрессора и от устройства, осуществляющего контроль за техническим состоянием системы смазки и суфлирования газотурбинного двигателя.A device for predicting the residual life of a bearing of a gas turbine engine, including a unit for primary processing of experimental data, a unit for statistical processing of experimental data, a unit for neural network processing of statistical data, a decision making unit, a library of reference values of vibration characteristics of a rolling bearing depending on the operating time of a gas turbine engine, a digital display system about technical state of the engine, and made with the possibility of connecting and receiving signals from vibration acceleration sensors located in the area of the centrifugal compressor casing section, which is most closely located in the upper plane to the front bearing of the compressor stage and from a device that monitors the technical state of the lubrication and venting system of the gas turbine engine.

Images