Prognostics of roller bearings for industrial gas turbine applications: a real-time approach for an existing gas turbine

Roller bearings can improve the gas turbine efficiency and reduce the turbine weight, but at the same time create a customer need related to the development of prognostics or diagnostics system, essential for life prediction and early failure detection to maximize plant productivity. This thesis focuses on the latest Baker Hughes gas turbine, the LM9000, with special interest in the free power turbine ball bearing for its dimensions and extremely variable operating conditions. Aim of the thesis work is to present a simple, reliable, and real time prognostic system to predict the residual life of the ball bearing of the LM9000 free power turbine. The core of the system is the accurate ball bearing life model, defined through validated GE Aviation tools. The advantage of the system is its simplicity in terms of sensors technology and architecture: the system only needs the axial load and basic engine parameters as inputs. These inputs are estimated with standard and replaceable instrumentation of the turbines. The system was validated on a full-scale test bench and on two LM9000 prototypes tested between 2020 and 2022.

I cuscinetti a rulli possono migliorare l'efficienza della turbina a gas e ridurre il peso della turbina, ma allo stesso tempo creano un'esigenza del cliente relativa allo sviluppo di un sistema di prognostica o diagnostica, essenziale per la previsione della loro durata e il rilevamento precoce dei guasti per massimizzare la produttività dell'impianto. Questa tesi si concentra sull'ultima turbina a gas di Baker Hughes, la LM9000, con particolare interesse per il cuscinetto a sfere per la turbina libera di potenza. La scelta è caduta su questo cuscino per le sue notevoli dimensioni e le condizioni operative estremamente variabili. Scopo del lavoro di tesi è presentare un sistema prognostico semplice, affidabile e operante in tempo reale, per prevedere la vita residua del cuscinetto a sfere della turbina libera di potenza della LM9000. Il fulcro del sistema è l'accurato modello di vita del cuscinetto a sfera, definito attraverso i programmi consolidati di GE Aviation. Il vantaggio del sistema è la sua semplicità in termini di tecnologia e architettura dei sensori: il sistema necessita in ingresso solo del carico assiale del cuscino e dei comuni parametri di funzionamento della turbina. Tali ingressi vengono calcolati attraverso strumentazione standard e facilmente sostituibile della turbina. Il sistema è stato validato su un banco di prova in scala reale prima e su due prototipi LM9000 poi, testati tra il 2020 e il 2022.