Разработка методов бесконтактной лазерной диагностики авиационных ГТД на основе анализа сигналов вибрации в широкой полосе частот

Актуальность темы

диссертационной работы.

В настоящее, время газотурбинные: двигатели" (ГТД) различных схем получили широкое распространение на транспорте и в народном хозяйстве. Массовость их внедрения" обусловлена такими показателями, как экономичность, производительность, простота эксплуатациивозможность длительной работы при высоких показателях цикла.

Наибольшее распространение ГТД получили на авиационной технике. Они позволяют достигать значительных скоростей полёта и обладают лучшими удельными показателями на высокихскоростях, чем поршневые двигатели.

Развитие ГТД, начиная с 30-х годов 20 века, идёт по пути увеличения параметров термодинамического цикла: температуры газов перед турбиной и степени повышения давления воздуха в компрессоре. Это в свою очередь определяет неуклонный рост нагрузок на внутренние части ГТД. Одновременно с увеличением параметров цикла конструкторыпытаются: увеличить, назначенный ресурс двигателяразрабатываяновыепрогрессивные: методы его технической1 эксплуатации.

Дальнейшее увеличениересурса и повышение надёжности двигателей связано с переходом от обслуживания их по фиксированному ресурсу, к обслуживанию по фактическому состоянию. Система технического обслуживания ГТД по фиксированному ресурсу не учитывает различные факторы, влияющие на каждый отдельно взятый дви гатель в? эксплуатации. Это приводит к неоправданному съёму дорогостоящих двигателей: (или их компонентов): с эксплуатации и упущенной выгоде авиапредприятий в результате недоиспользования ресурса двигателя.

С повышением удельных показателей ГТД! связано внедрение в их конструкцию новых высоконадёжных дорогостоящих материалов: При этом условии потери от недоиспользованиядвигателейпри существующейсистеме технического обслуживания (ТО) возрастают. В связи с этим встаёт вопрос о максимально эффективном использовании двигателей, путём обеспечения выработки им фактического ресурса.

Современные ГТД являются модульными, что является значительным шагом по пути к ТО по техническому состоянию: Переход к ТО по состоянию предполагает замену в эксплуатации съёмных узлов- (модулей).-, ресурс которых меньше назначенного. Для обеспечения? безотказности в работе замена должна быть своевременной, до наступления отказа. Поэтому необходимо знать текущее состояние двигателя и иметь прогноз на некоторый интервал времени. Это достигается методами технической диагностики.

Одним из методов технической диагностикиавиационных ГТД, используемых в настоящее время, является¡вибродиагностика, т. е: диагностирование ' по параметрам вибрации, измеренным на объекте контроля (ОК) в процессе его функционирования. Из предыдущего опыта вибродиагностики различного оборудования известно, что вибрация является одним из наиболее динамичных параметровт.е. изменение параметров вибрации происходит практически, синхронно с изменением внутренних динамических сил, действующих в ОК.

Высокая? динамичность, изменения параметров вибрации повышает вероятность своевременного обнаружения дефектов при работе авиационных ГТД, что являетсянаиболее важным, такткак напрямую связано с безопасностью полётов ВС.

В свою очередь повышение безопасности полётов в наибольшей степени определяется работоспособностью силовой установки ВС, а именно, маршевых ГТД. Поэтому получение достоверной информации о техническом состоянии двигателей ВС при переходе к обслуживанию их по техническому состоянию имеет высокое значение.

Бортовая система контроля вибрации двигателей, применяемая на современных ВС, при всей своей пользе не удовлетворяет требованию по получению диагностической информации о состоянии отдельных узлов ГТД с высокой степенью достоверности. Это связано с тем, что она работает в ограниченном частотном диапазоне и использует в качестве первичной информации ограниченное число датчиков вибрации (один или два).

Бортовые системы способны, отслеживать только значительные изменения в техническом состоянии двигателей и, иногда, промежуток времени от начала роста уровня вибрации до превышения им порогового уровня укладывается в один полёт, что требует выключения двигателя в полёте. Это резко снижает безопасность полёта воздушных судов (ВС).

Для повышениядостоверности результатов контроля вибрации и. глубины диагностирования автором данной диссертационной работы в дополнение к существующим методам техническою диагностики авиационных двигателей предлагается система вибродиагностики ГТД, основанная на широкополосном анализе сигналов* вибрацищ измеренных с помощью лазерных бесконтактных вибропреобразователей вшроцессе наземного технического обслуживания ВС.

В отличие от существующих бортовых, систем контроля^ вибрации использование данной г системы позволит производить измерение вибрации в любой точке наружного корпуса ГТД и навесных агрегатов^ Возможность, проведения^измерений непосредственно на корпусе диагностируемых узлов: ГТД значительно повышает чувствительность, контроля: ¦

При анализе сигналов вибрации: широко* применяются" методы" цифровой обработки сигналов. (ЦОС). Основными? алгоритмами обработки сигналов, используемыми в диссертационной работе являются определение среднеквадра-тического значения (СКЗ) величин^ спектральный^анализ^ спектральный анализ высокочастотной огибающей сигнала вибрации.

Диагнозставится на основании измерения глубины амплитудной модуляции высокочастотного сигнала. Данный диагностический параметр был исследован в предыдущих работах отечественных учёных. Наибольший вклад в разработку методологии использованияалгоритмов диагностики технического состояния машин и механизмов различного назначения на основе данных вибрации внесли Сидоренко М. К., Карасёв В. А. (ЦИАМ им. I Г. И.Баранова) — Балиц-кий Ф.Я., Соколова А. Г. (ИМАШ РАН) — Барков А. В-, Баркова H.A. (АО.

ВACT"), Ушаков А. П. (СПбГУГА), Пивоваров В. А. (МГТУ ГА) и другие учёные. Идея применения бесконтактного лазерного вибропреобразователя для диагностики технического состояния авиационных ГТД принадлежит научному руководителю автора — доктору технических наук Ушакову Андрею Павловичу.

Особенностью данной! диссертационной работы является применение алгоритмов ЦОС для анализа сигналов вибрации, измеренных бесконтактным лазерным преобразователем в процессе функционирования авиационных ГТД для повышения вероятности нахождения1 и прогнозирования развития* зарождающихся дефектов и увеличения тем-самым безопасности полётов ВС.

Увеличение вероятности обнаружения зарождающихся дефектов является необходимым, так как это позволяет сократить число отказов, относимых ранее к внезапным. Это связано с тем, что некоторые неисправности авиационных двигателей могут достаточно долго оставаться на' стадии зарождения, но потом лавинообразно переходят на финальную стадию развития, что приводит к отказу двигателя. Обнаружение дефектов на ранней стадии развития также позволяет заблаговременное планирование операций по" их устранению, что является важным в современных условиях коммерческой эксплуатации ВС. Поэтому обнаружение дефектов «ГТД именно на стадии зарождения имеет решающее значение при переходе к техническому обслуживанию ГТД по их состоянию при сохранении высокого уровня безопасности полётов ВС.

Задачи исследования.

Целью диссертационной работы явилась разработка методов бесконтактной лазерной диагностики авиационных ГТД на основе анализа сигналов вибрации в широкой полосе частот.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:

— разработана методика бесконтактного измерения вибрации основных узлов ГТД в полевых условиях в составе ВС (воздушного судна), а также в процессе испытаний на заводских стендах;

— на основе экспериментальных исследований, как в полевых, так и в стендовых условиях определены, пороговые значения глубин модуляции, соответствующие слабым, средним и сильным дефектам.

— выявлены наиболее информативные области на корпусах ГТД, вибрация которых содержит информацию о развитии дефектов, в том числе и на ранней стадии;

— определены мешающие факторы (помехи), искажающие информативные сигналы вибрации и разработаны меры по отстройке от этих факторов;

— исследована информативность измерений в диапазонах низких, средних и высоких частот;

— показано, что наиболее ценная информация о зарождающихся дефектах содержится в высокочастотном диапазоне от 1 до 50 кГц;

Объектом исследования являются виброакустические характеристики ГТД и агрегатов ВС в виде широкополосных сигналов вибрации, измеренные с помощью бесконтактного лазерного вибропреобразователя.

Методы исследования >

Основу выполненных в диссертационной работе исследований составляет теория сигналов и цепей, спектральный' анализ сигналов и их высокочастотных огибающих, теория случайных процессов и колебаний, цифровая! обработка анализ сложных сигналов.

Основные научные результаты,.выносимые на защиту:

1. Метод бесконтактного выявления дефектов функционирования систем автоматики запуска и регулирования оборотов агрегатов ГТД, а также конструктивных резонансов основных узлов системы ГТД — воздушное судно с помощью анализа вибрационных сигналов, измеренных на нестационарных режимах (разгон — выбег, приёмистость) с помощью алгоритма трёхмерного спектрального анализа сигналов вибрации.

2. Метод оценки степени развития дефектов авиационных двигателей по результатам анализа высокочастотных сигналов вибрации основанный на том, что применяется программный расчёт глубины амплитудной и индекса угловой.

9 ¦ модуляции в процессе цифровой обработки сигналов, измеренных с использованием лазерного виброметра.

3. Методика бесконтактного измерения вибрации основных узлов ГТД в составе ВС (самолётов и вертолётов) прш наземном запуске и прииспытаниях ГТД на заводских стендах.

4. Методика определения аэродинамических и. механических источников энергии возмущающих сил, действующих внутри ГТД, основанная на анализе конструктивных схем двигателей и расчёте детерминированных составляющих с целью определения и локализации источников вибрации.

5. Результаты анализатрендовых характеристик вибрациив высокочастотном диапазоне.

Научная новизна.

Т. Метод выявления дефектов функционирования агрегатов ГТД и конструктивных резонансов основных узлов ¡-системы «ГТД — воздушное судно», основанный на анализе вибрационных сигналовизмеренных на нестационарных режимах (разгон — выбег, приёмистость) с использованием алгоритма трёхмерного спектрального анализаотличается от применяемого в настоящее время метода контроля вибрации ГТД тем, что, за счёт новых алгоритмов ¡-позволяет с высокой степенью точности определять, параметры, переходных процессов ГТД и агрегатоввыявлять резонансные режимы работы ГТД.

2. Метод оценки степени развития* дефектов авиационных двигателей, осг нованный на анализе высокочастотных сигналов вибрации-с обеспечением программных расчётов глубины амплитудной и индекса угловой модуляции в процессе цифровой ¡-обработки сигналовлазерного вибропреобразователяотличат ется от прототипов тем, что не требуется определение базисного («чистового») значения параметра, относительно которого производитсяоценка изменения технического состояния диагностируемого узла.

3. Инженерная методика помехозащищенного бесконтактного измерения вибрации основных узлов ГТД в процессе наземного запуска в составе ВС (самолётов и вертолётов), а также в процессе испытаний на заводских стендахотличается от существующей методики контактного измерения с помощью пьезоэлектрических датчиков вибрации тем, что обеспечивается повышение чувствительности контроля за счёт снижения уровня! помех, устранения эффекта присоединённой массы? и установочного резонанса: иобеспечивается бесконтактное измерение вибрации в непосредственной близости от контролируемого узла.

4. Методика определения аэродинамических и механических источников энергии возмущающих сил, действующих внутри ГТД, позволяет определять и локализовать развивающиеся дефекты и отличается: от современной методики определения щеточников вибрации ГТД тем, что учитываются не только низкочастотные компоненты, но и все основные частоты спектра’сигналам вибрации в точке измерения.

5. Использование трендовых характеристик вибрациив высокочастотном диапазоне позволяет повысить надёжностью выявления дефектовна различных стадиях развития и осуществить техническое обслуживание ГТД по состоянию. В отличие • от современно" системы' мониторинга, основанной наанализе: трендов общего уровнянизкочастотной шибрации и уровня? вибрациш роторных гармоник, предложенные модели трендовобеспечивают дополнительные возможности отслеживания? развития зарождающихся дефектов задолго до того, как они проявят себя в низкочастотном диапазоне вибрации.

6. Широкий диапазон частот исследуемых сигналов вибрации ГТД (1 — 50 кГц), измеренных лазерным вибропреобразователем, что в несколько раз. превышает диапазон сигналов, измеряемых пьезоэлектрическим датчиком вибрации.

Достоверность проведённых исследований обусловлена многократностью измерений на различных типах ГТДсовпадением поставленного диагноза с результатами дефектации узлов в процессе: их разборки, тщательностью обработки данных, преимуществами бесконтактного измерения? вибрации с помощью лазерного вибропреобразователя.

Практическая ценность.

1. Применение диагностических данных, полученных с помощью лазерных вибропреобразователей, в комплексе с существующими методами технической диагностики ГТД позволит повысить безопасность полётов и упростить переход к обслуживанию ГТД по техническому состоянию.

2. Разработанная методика бесконтактных синхронных измерений диагностических сигналов в характерных точках ГТД с использованием лазерного виброметра позволяет за несколько минут работы ГТД (при наличии 3−4 лазеров) измерить бесконтактным способом прямо на поле аэродрома необходимый объём диагностической информации для оценки технического состояния ГТД.

3. Измерение параметров переходных процессов ГТД и агрегатов, полученных с помощью трёхмерного спектрального анализа сигналов вибрации, позволяет произвести оценку качества функционирования автоматики, регулирующей данные процессы, а также, выявить область критических частот вращения роторов.

4. Определены наиболее информативные с точки, зрения лазерной вибродиагностики" режимы работы ГТД.

5. Экспериментально установлено, чтолазерный виброметр позволяет проводить измерения виброскорости поверхности корпусов ГТД в" диапазоне частот от Г Гц до 50 кГц с высокой степенью точности, что ранее было недостижимо.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1. XXXIX Научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных.

Санкт Петербург, Университет ГА, 20 — 26 апреля 2007).

2. Международная молодёжная научная конференция" «XVI Туполевские чтения» (Казань, КГТУ им. А. Н. Туполева, 28 — 29 мая 2008).

3. ХЫ Научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных.

Санкт-Петербург, Университет ГА, 20 — 29 апреля 2009).

4. Всероссийская? молодёжная научная конференция с международным участием «X Королёвские чтения» (Самара, СГЛУ им. С.ТТ. Королёва, 6— 8 октября 2009).

5. Научно — техническийотчёт «Оценка технического состояния КС, А — ЗЗМ* с использованием — лазерного виброметра с идентификацией! источников вибрации на основе оценки глубины модуляции" — Университет ГА. СПб, 2008;

6. Научно — технический отчёт «Исследование возможности^ оценки технического состояния узлов газотурбинных двигателей воздушных* судов при наземных запусках с использованием лазерного виброметра». Университет ГА. СПб., 2008.

Реализация получеиньтрезультатов исследоваииш.

Предложенная методикадиагностики технического состояния ГТД3 т агрегатов ВС, прошла* апробацию на ТРДД? Д-3 ОКУ-154, АИ-25- ПС-90АТВаД ТВ2−117, ТВЗ-117- агрегатах ВС и СУ. Подтверждение результатов теоретических исследований произведенос помощью анализа: обширныхэксперимен тальных данных, полученных в процессе заводских стендовых испытаний узлов. ГТД (на испытательных стендах ОАО"Климов"), атакжеполевыхработ на самолётах Ту-154М и ТУ-214 (ФГУП «ГТК «Россия»), вертолётах Ми-8Т и Ми-8МТВ (ЗАО «Спарк», АК «Баркол»);

Результаты исследований* и разработанная методика были использованы в процессе договорной! работы по диагностике коробки самолётных агрегатов (КСА) ВС спецприменения на-испытательномстенде ОАО «Климов» и внедрены в учебный процесс СПбГУГА. Публикации.

По материалам диссертационных исследований автором опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 печатные: работы, включены в Перечень научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы результаты диссертационных исследований в соответствии с требованиями ВАК.

Структура и объём диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы.

Выводы по 4-й главе диссертации водить диагностику по данным одного измерения. В главе показаны положительные результаты диагностирования технического состояния авиационных ГТД по глубине амплитудной модуляции и тренду её изменения с ходом наработки.

3. Установлено, что кривая изменения глубины амплитудной модуляции в некоторых случаях имеет экстремум, обусловленный снижением величины модулирующей функции в процессе деградации механизма.

4. Условия работы подшипниковых узлов и генерируемая ими вибрация диктует необходимость применения методов, построенных на двойной демодуляции сигналов вибрации. Такая необходимость связана, прежде всего, с высоким уровнем спектральных составляющих сигнала вибрации ГТД, что приводит к затруднению в выделении сигнала вибрации подшипниковых узлов из общего сигнала.

Заключение

.

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Экспериментально исследован принципиально новый подход в диагностике технического состояния авиационных ГТД и агрегатов* ВС, основанный на анализе в широкой-полосе частот сигналов-вибрации, измеренных с помощью бесконтактного лазерного вибропреобразователя.

2. Показано, что областью применения лазерной вибродиагностики являются измерения вибрации ГТД в условиях наземного запуска на различных режимах в составе ВС (напримерпри опробовании после очередной формы ТО) или на испытательном стенде. Анализ полученных результатов способен значительно дополнить и уточнить данные бортовых средств контроля вибрации.

3. Установлено, что наиболее эффективными методами анализа получаемых сигналов вибрации являются спектральный анализ оцифрованных сигналов и анализ спектральных составляющих огибающей сигнала вибрации в информативной полосе частот. Диагноз ставится по составу спектров сигнала и егоогибающей, а также по величине глубины модуляции отдельных составляющих спектра.

4. Показано, что разработанная-методика при наличии одного лазерного виброметра позволяет произвести измерение вибрации на авиационном ГТД без увеличения времени работы свыше установленного графиком наземного опробования двигателя, что является, доказательством высокой экономической эффективности лазерной вибродиагностики.

5. Экспериментально выработаны пороговые значения’глубины модуляции, необходимые для постановки диагноза при условии проведения измерения вибрации в непосредственной близости от диагностируемого узла. Они соответствуют ниже приведенным значениям, полученным из накопленного опыта вибродиагностики авиационных ГТД и их агрегатов в стендовых и натурных условиях с последующей разборкой и дефектацией, а именно: 10% - зарождающийся дефект, 20% -средний дефект, 30% - опасный дефект. Естественно, по мере набора статистических данных при последующей эксплуатации лазерной диагностики авиационных ГТД эти пороговые значения будут уточняться;

6. Оценка современного состояния, вибродиагностики авиационных ГТД показывает, что системы диагностики, установленные на ВС имеют ограниченные возможности по выявлению зарождающихся дефектов, что обусловлено узким низкочастотным диапазоном" их работы. Поэтому проблема увеличения диагностической способности методоввибродиагностики авиационных ГТД представляется важной и актуальной с позиций дальнейшего повышения безопасности полётов:

7. В процессе экспериментальной работы разработана методика, проведения измерений" вибрации-на авиационных ДТРД и вертолётных ГТДс позиций распространения и< затухания, сигнала вибрации определены наиболее информативные точки корпуса двигателей^ различных схем: Точки для замера вибрацию с помощью лазерного вибродатчика выбраны таким образомчтобы, обеспечивалось минимальное затухание сигнала вибрации, генерируемого внутренними узлами двигателя: Исходя из опытных данных и конструктивных схем диагностируемых: ГТДустановлено количествоточек измерениявибрациинеобходимое для? комплекснойоценки технического состояния составных модулей ГТД.

8. Анализ современного оборудования, предназначенного"для контроля вибрации-, и экспериментальная1- работа по лазернойвибродиагностике ГТД показали, что для-успешной процедуры измерения (необходимо минимальное время замера в силу экономии топлива) и анализа сигналов вибрации необходимы портативные цифровые приборы с высокой* частотойдискретизации входных аналоговых сигналов, поступающих с датчиков вибрации и компьютерное программное обеспечение, позволяющее проводить весь комплекс операций по работе с цифровыми сигналами.