Способ диагностирования неисправностей газотурбинных двигателей летательных аппаратов

 

Изобретение относится к техническому диагностированию газотурбинных силовых установок и позволяет повысить эффективность эксплуатационного контроля технического состояния авиационных газотурбинных двигателей (ГТД). На режиме приемистости по сигналу с блока 1 идентификации начала режима в блоке 2 памяти фиксируют дискретные цифровые значения термогазодинамических параметров ГТД, которые через блоки 3 цифроаналогового преобразования параметров поступают в блоки 4 формирования контурных плоскостных фигур, выходные сигналы которых через блок 5 формирования комбинаций контурных фигур управляют отображением контурных геометрических образов параметров на блоке 6 визуализации. Оператор 7, имеющий возможность воздействия на блок 8 управления выводом изображений, фиксирует момент и скорость развития неисправностей по деформации контуров геометрических образов параметров по сравнению с эталонными. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ .

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 б 01 М 15 00 (1ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (2! ) 4644269/25-06 (22) 30.01.89 (46) 30.12.90. Бюл. № 48 (72) В. В. Ремизов, А. С. Сула и В. В. Михайлов (53) 62! .438.55 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 924540, кл. G 01 М 15/00, 1980. (54) СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ НЕИСПРАВНОСТЕЙ ГАЗОТУРБИННЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ (57) Изобретение относится к техническому диагностирова нию газотурбинных силовых установок и позволяет повысить эффективность эксплуатационного контроля технического состояния авиационных газотурбинных

„„ЯЦ„„1617317 А 1

2 двигателей (ГТД). На режиме приемистости по сигналу с блока 1 идентификации начала режима в блоке 2 памяти фиксируют дискретные цифровые значения термогазодинамическ«х параметров ГТД, которые через блоки 3 цифроаналогового преобразования параметров поступают в блоки 4 формирования контурных плоскостных фигур, выходные сигналы которых через блок 5 формирования комбинаций контурных фигур управляют отображением контурных геометрических образов параметров на блоке 6 визуализации.

Оператор 7, имеющий возможность воздействия í- блок 8 управления выводом изображений, фиксирует момент и скорость развития неисправностей по деформации контуров геометрических образов параметров по -.равнению с эталочными. 4 ил.

1617317

Изобретение относится к техническому диагностированию газотурбинных силовых становок и преимущественно может быть спользовано в эксплуатации авиационных азотурбинных двигателей (ГТД) при опреелении их технического состояния, а также при испытаниях двигаталей.

Цель изобретения — — повышение надеж ности диагностирования неисправностей газотурбинных двигателей.

На фиг. 1 представлена структурная схе ма системы для реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 — структурная схема устройства для автоматического перемещения органа управления газотурбинного двигателя; на фиг. 3 — пример формирования замкнутой пространственной фигуры из плоских изображений; на фиг. 4 — пример реализации плоскостных образов одного из типов

ГТД при зарождении и развитии неисправности электронного регулятора ГТД.

Человеко-машинная система для реализации способа (фиг. 1) содержит блок 1 идентификации начала режима, блок 2 памяти, блок

3 цифроаналогового преобразования пара метров, блок 4 формирования контурных плоскостных фигур, блок 5 формирования комбинаций контурных фигур, блок 6 визу ализации, оператор 7, блок 8 управления выводом изображений.

Устройство для автолетательного пере( мещения органа управления ГТД (фиг. 2) содержит задающий блок 9, реле 10 времени, исполнительный механизм 11, орган! 2 управления ГТД, датчик 13 положения органа, управления.

Способ осуществляют следующим обра, зом.

Системы автоматического регулирования современных авиационных ГТД охвачены глубокими отрицательными связями астатического характера, приводягцими к KDYïåíсации малых отклонений в начале развития неисправности. Поэтому ранние стадии ухудшения технического состояния ГТД существенно раньше и достовернее проявлчются на неустановившихся режимах. Информативными признаками неиспарвности являются комбинации отклонений линий термогазодинамических параметров, непрерывно регистрируемых при протекании неустановившихся (переходных) процессов, от линий, задаваемых программой регулирования на исправном ГТД.

Используемый неустановившийся рс?KHM должен обладать высокой говторяемостью (однотипностью) при каждой реализиции диагностической процедуры, а также характеризоваться такой величиной перепада тяги двигателя между исходным и конечным установившимся режимах, которая позволяет получить максимальную с точки зрения выявления признаков неисправностей параметрическую информацию.

ЗО

gQ

Для авиационных ГТД в качестве такого переходного режима выбран режим приемистости, характеризующий способность двигателя максимально быстро увеличивать тягу (мощность) в соответствии с изменением положения органа управления. Для авиационных ГТД этот режим обеспечивается резким переводом двигателя с минимальных значений частоты вращения ротора («Малый газ») до максимальных, при этом величина минимальной тяги составляет 4 — 6Я от величины максимальной тяги. Для ГТД,основная часть работы цикла которых используется для получения мощности на валу (например, трубовинтовых двигателей), вместо соотношения величин тяги используется аналогичная величина соотношения мощности. Выбранный режим позволяет охватить при приемистости все «проходные» конфигурации системы автоматического регулирования мажду «Малым газом» и максимальным режимом.

Нормализация (единообразие изменения параметров) анализируемого неустановившегося режима обеспечивается равномерным перемещением органа управления с заданным темпом (не более, чем за 1 с) из одного заданного положения в другое при помощи устройства для автоматического перемещения органа управления ГТД из первого поло>кения минимальной тяги во второе положение максимальной тяги.

От задающего первый (исходный) и второй ста ционарные режимы блока 9 через реле 10 времени, опеределяющего время соответствующего перемещения органа 12 управления, поступает сигнал на исполнительный механи;м ..11, перемещающий орган

12 управления двигателем с заданной скоростью из первого положения во второе до срабатывания датчика 13 положения органа управления, отключающего исполнительный механизм 11.

Измеренные значения параметров рабочего процесса дви-.àòå.ëÿ записываются в память ЗВМ на заданном интервале времени от начала перемещения органа 12 управления. Ограничение по частоте регистрации обусловлено необходимостью исключения потерь диагностической информации, вследствие динамических искажений, при минимально возможном объеме используемой памяти 38M. Для авиационных ГТД экспериментально установлено, что приемлемая частота регистрации отдельного параметра равна одному значению 1 с.

Выбор интервала времени обработки обусловлен длительностью неустановившегося режима до достижения основными параметрами рабочего процесса своих установившихся значений. При приемистости, выполняемой при разгоне летательного аппарата (ЛА), например, на взлете, указанное время существенно увеличивается по сравнению с длительностью времени наземной приемис16173!7 тости, составляющей для современных ГТД

3 — 5 с, из-за дополнительного воздействия возрастающего скоростного нагора воздуха и тепловой нестационарности при прогреве.

Так на одном из типов современных форсажных турбореактивных двигателей (ТРД.г Ф) при переводе двигателя с малого га.,а на максимальныи режим в темпе прие.листости и последующем взлете время дости кен и я установившихся значений параметров колеблется в зависимости от температуры наружного воздуха 25 — 60 с. Поскольку неустановившиеся режимы не ограничены только наземными, используется средняя величина указанного времени 30 с, свойственная современным ГТД на полетных разгонных режимах.

Второй основополагающей компонентной диагностической процедуры является извлечение диагностической информации, содержащейся на регистрируемь|х на неустановившемся режиме линиях параметров. Сравнение любой зарегистрированной линии с соответствующей эталонной линией, определяемой программой регулирования, связано с оценкой признаков формы. Однако известно, что адекватных аналитических описаний признаков формы времени не сущестнует

Всл«дствие этого, известные классификаторы не могут быть применены для комплексного анализа малых отклонений признаков формы в регистрируемой совокупности взаимосвязанных линий параметров.

Для обнаружения малых отклонений формы осуществляют такое преобразование зарегистрированных параметров, которое обеспечивает формирование плоских замкнутых образов (изображений), выводимых на экран дисплея для визуального распознавания. Такой подход основан на известном факте значи тельного превосходства зрительного распознавания образов. Действенность указанного факта в области раннеи диагностики ГТД подтверждается результатами, полученными в специальном исследовании достоверности автоматизированного распознавания технических состояний ГТД по параметрической информации на переходных режимах. Так безошибочно различаемые по предлагаемому способу пять состояний одного из типов двигателей при автоматизированном распознавании выделялись с достоверностью, нерегулярно меняющейся в зависимости от характеристик обучающей выборки в диапазоне

0,3 — 1,0.

Преобразонание линий записи в целях удовлетворения определенных психологических ограничений включает последовательные опера ции.

Г1реобразование зарегистрированных дискретных электрических сигналов в соответствующие упорядоченные совокупности геометрических образов в ниде непрерывных линий.

Замыкание непрерывных линий совокупностью сервисных геометрических образов в виде ограничительных линий до получения

<а экране дисплея з;- мкнутых плоских образов.

Каждый из образов формируется из одной . ли нескольких линий загиси арегистрированных параметров, образующих замкнутый контур. Число образов выбирается таки м, чтобы формируемь:е контуры изображений включалv. все реги".грируемые параметры.

Изве:. ными мето".àìè машинной графики может быггь осуществлечо преобразование зарегистрированных линий записи параметров в пространственную (трехмерную) замкнутую фигуру, образованную контурами плоскостнь.х изображений, форма поверхности которой содержит необходимую диагностическую информацию.

Указанные преобра-.oBÿíèÿ осущестляет человеко-машинная <-истемы (фиг. 1), в которой после идентификации начала неустаиовивше.: ося режима блоком 1 осуществляется запись дискретных электрических сигналон (значений -.ер мога зоди на мически х па ра метров) в блок 2 памяти. Значения, соответствующие отдельном; параметрv, поступают в цифро-аналоговые преобразователи 3 по чистку регистрируемы; параметров, преобразуются в непрерывн. е линии и поступают на блоки 4, осуществляющие формирование плоскостных конiмрных фигур (образов) .

Блок 5 формирует по выходным сигналам блока 9 комбинацию образов, которая выводится HB дисплей (блок б визуализации) анализируется оператором 7. Оператор 7, являясь необходимым элементом человекомашинной системы, реализующей способ, работает в интера тинном режиме через блок 8 управления выводом изображений. При этом направление связей с оператором 7 отражает функциональные связи, определяющие информационные потоки и управляющие воздействия человека.

Полученная на экране дисплея комбинация замкнутых фигур (образов) является объектом последующего визуального распознавания, т.е. отнесения изображений к одному из известных эталонных классов. Для исправного двигателя и каждой типовой неисправности существуют формы фигур, которые являются эталонами для сравнения. При этом для каждой типовой неисправности имеется группа эталонов, последовательно отражаю1цих начало и различные стадии ее развития.

Форма поверхности поперечных фигур используется как индикаторный сигнал, любую деформацию которого по сравнению с эталоном исправного двигателя принимают за ранний признак неисправности.

Наличие серии последовательных индикаторных сигналов. полученных для различных

lбI73t7

ЗО

55 з начений наработки двигателя, выявление т нденции и скорости развития деформации ндикаторного сигнала позволяет, сравнивая и деформации с эталонами, установить тененции, скорости развития и причину неиспавности. При этом повышенная чувстви ельность индикаторного сигнала к ранним тадиям неисправностей обеспечивается за чет группы эталонов, последовательно отобажающих различные стадии развития конкетной типовой неисправности. Начало разития неисправности соответствует моменту

i оявления первичной деформации индикаторного сигнала, изображение которого являет я первым в данной группе эталонов. При ринятии диагностического решения учитыается информация о взаимосвязях параметов, линии записи которых образуют дефорируемый участок контура фигуры.

При принятии решения на выполнение осстановительных работ (регулировки, заены и т.п.) важно не только оценить блиость выявленных визуальных признаков к талону предотказного состояния, но иметь нформацию о том, с какой скоростью нарас(гали эти признаки в предшествующие момен ты времени. Это обусловлено тем, что в ряде случаев визуально похожие деформации ана;лизируемой фигуры вызываются как «быст роразвивающими» неисправностями (от нес кольких часов до 10 ч наработки), так и «медленными» неисправностями (от несколь ких десятков часов наработки и более). Поэтому ориентирование при визуальном анализе фигур только на их отличие от эталона без учета скорости нарастания деформации фигуры по наработке ведет либо к очень ранним восстановлениям, т.е. недоиспользованию запасов работоспособности, либо к отказам в полете.

Поскольку адекватного формального описания визуального узнавания нет, то возможность количественного определения скорости изменения формы затруднительна. Тем не менее визуально человек хорошо различает, по меньшей мере, несколько градаций скорости изменения формы, если приведены эталонные ряды последовательных стадий изменения фигур, соответствующие этим градациям.

Повышение достоверности обнаружения ранних признаков неисправностей обеспечивается за счет следующих дополнительных операций.

Реализация нормализированного неустановившегося режима работы ГТД при разгоне летательного аппарата (ЛА), задаваемого изменением величины тяги в темпе приемистости от малого газа на исходном стационарном режиме до максимальной на конечном стационарном режиме и одновременным воздействием нарастающего скоростного потока воздуха на вход в двигатель.

Формирование плоских фигур (образов), ограниченных замкнутыми контурами из последовательных значений зарегистрированных в течение заданного времени геометрических образов.

Определение начала и скорости развития неисправности по появлению и развитию деформаций формы контура фигур по сравнению с эталонами.

При таком подходе охватываются такие группы неисправностей, как, например, разрегулировки и неисправности конструктивных элементов системы автоматического регулирования двигателя, неисправности проточной части, снижающие КПД двигателя (прогары лопаток сопловых аппаратов турбины, вытяжка лопаток, эрозионный износ и т.п.), неисправности и разрушения деталей опор роторов.

При конкретной реализации способа осуществлялось диагностирование авиационных двухконтурных турбореактивных двигателей при их эксплуатации в составе силовой установки летательного аппарата, состоящей из двух ГТД. Рассматривался неустановившийся режим приемности «Малый газ — Максимал» на взлете ЛА. При этом на магнитную ленту бортового регистратора типа «Тестер» записывались параметры рабочего процесса двигателя на интервале времени 30 с от начала перемещения органа управления по одному значению в 1 с для каждого регистрируемого параметра.

После полета значения параметров с магнитной ленты регистратора вводились в память ЭВМ М-6000 и преобразовавывались по определенному алгоритму в координаты кон-. туров плоскостных изображений процессором указанной ЭВМ.

Замкнутые контуры плоскостных изображений формировались в данном случае из попарных комбинаций следующих параметров (фиг. 4): частот вращения роторов высокого и низкого давления (позиция I), температуры воздуха на входе в двигатель и температуры газа за турбиной (позиция 111), давления топлива перед форсунками камеры сгорания и площади критического сечения реактивного сопла (позиция IV).

Комбинации плоскостных замкнутых фигур (образов) выводились на специально сформированном диагностическом бланке с помощью графопостроителя.

В предварительных испытаниях, включавших облеты ЛА с использованием заданного неустановившегося режима в эксплуатирующих организациях, получены эталонные изображения для исправного технического состояния и технических состояний, отображающих различные стадии развития нескольких типовых неисправностей. В результате в атласе визуальных эталонов (диагностическом справочнике) приведены соответствующие эталонные изображения по двум градациям cêîðîñòåé: малой и большой, а диагнос!

617317 тические решения имеют следующий вид: выявленное отклонение неизменно — продолжить эксплуатацию; выявленное отклонение медленно нарастает — взять двигатель под контроль; выявленное отклонение быстро нара стает — отстра нить от полетов и выполнить восстановительные работы.

Процедура диагностирования повторялась на двигателях контролируемой силовой установки, находящейся в эксплуатации в среднем через 3 ч разработки. Характер дальнейц их изменений комбинации диагностических образов представлен на фиг. 4. Алгоритм принятия решения, соответствующий примеру конкретного выполнения способа, включает следующие операции.

Возникло малое отклонение формь фигур(образов от эталона исправного состояния (наработка t, фиг. 4}, двигатель взят под контроль, при этом диагностический бланк формируется и анализируется перед каждым полетом.

В подконтрольном режиме по мере возрастания наработки было зафиксировано медленное нарастание отклонений в сторону эталона предотказного состояния. Эксплуатация продолжалась.

При наработке t+5,5 ч отмечено резкое возрастание отклонений от нормы. Объект был допущен еще к одному полету. После этого полета (наработка (+6 ч) отклонение от нормы возросло настолько, что деформация формы контура образов вплотную приблизилась к одному из эталонов предотказного состояния, изображенному в атласе визуальных эталонов. При этом изменение значений регистрируемых параметров на стационарных режимах «Малый газ» и «Максимал» в интервале наработки от t до t+6 ч показало, что параметры двигателя находились в границах допусков, установленных эксплуатационной документацией. Поэтому применение распро "траненного бального классификатора не позволяет выявить прогрессировавшую неисправность. Объект с неисправным двигателем отстранен от полетов. При выполнении восстановительных работ выявлена неисправность электронного регулятора двигателя. В результате замены электронного регулятора деформация формы контура образов исчезла.

Следует отметить, что дальнейшее развитие выявленной неисправности, по-прежнему не проявляющейся на стационарных режимах, приводит к недопустимому замедлению нарастания тяги на взлетном режиме, что

10 может при определенных условиях создать аварийную ситуаци:о.

Форму.ы изобретения

Способ диагностирования неисправностей

15 газотурбинных двига елей летательных аппаратов путем измерения и ввода в ЭЗМ значений термогазодинамических параметров, формирования по ним геометрических образов параметров на экране дисплея и срав20 ненчя их с эталонным отличающийся тем, что, с целью повышения надежности. измерения значений термогазодинамических параметров производят с заданной периодичностью при разгоне летательного аппарата на ре;киме приемистости фиксированной дли2Ь тельности за счет автоматического перемещения рычага управления двигателями в заданном темпе от режима мало; î — àçà до режима максимального газа, формировачие геометрических образов по термогазодинамическим параметрам производят путем преобразования дискретных значений параметров в совокупность соответствующих непрерывных линий на экране дисплея, отражающих изменение измеренных параметров на приемистости, и замыкания полученных непрерывнь х линий совокупностью сервисных непрерывных линий в в: де ограничительных. линий до получения на экране дисплея замкнутых плоскостных фигур геометрических образов параметров, начал . и скорость развития неисправности определяют по появлению

40 и развитию деформаций формы контура геометрических образов параметров для нескольких последовательных значений наработки двигателя.

1617317 4

В раЬипка 1 5v Нарабопиа 1 бц

4 4 4 4 9 Ф

° 9 Ф

Ф ° Ф 9 4 9 9 9 °

° Ф 4 ° ° 4 Ф Ф Ф

° Ф ° 4 9 9 ° 9 °

Сoct3BHTc1h В. Колясников

Редактор Ю. Серела Текред A. Кравчук Корректор Н. Ренская

Заказ 4114 Тираж 443 П однисное

ВНИИПИ Государственного комитета но изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, )К вЂ” 35, Рауьнская наб., д. 4!5

Производственно-издательский комбинат «Патент», г. Ужгород, ул. Гагарина, 101