Разработка аппаратно-программного комплекса акустической диагностики предпомпажного состояния газотурбинных двигателей

В настоящее время в связи с большим количеством авиационных аварий и катастроф актуальным вопросом для авиации является разработка способов и средств борьбы с помпажом - срывным режимом работы авиационного газотурбинного двигателя, нарушением газодинамической устойчивости его работы, сопровождающимся хлопками в газовоздушном тракте двигателя из-за противотока газов, задымлением выхлопа двигателя, резким падением тяги и мощной вибрацией, которая способна разрушить двигатель.
Причинами возникновения помпажа могут быть:
- увеличение температурной неравномерности за счет попадания струи горячих газов при применении бортового оружия или увеличение неравномерности по давлению при больших углах атаки;
- изменение режимов работы двигателя (полная, частичная и встречная приемистость, сброс газа, отборы воздуха на нужды летательного аппарата и т.п.);
- попадание в двигатель посторонних предметов;
- сбои в работе системы управления двигателя или управляемого воздухозаборника;
- сильный боковой ветер при запуске двигателя на аэродроме или косая обдувка воздухозаборника при полете самолета со скольжением.

Помпажные явления приводят к выходу из строя лопаток компрессора, резкому росту температуры газов и перегреву лопаток турбины, низкочастотной вибрации, осевому перемещению ротора, выходу из строя опор и уплотнений и, как следствие, к динамическим напряжениям, значительно превосходящим напряжения, на которые рассчитывалась конструкция двигателя. Пример последствий помпажа показан на рисунке 1.

Рисунок 1 – Последствия возникновения помпажа

Поэтому для обеспечения устойчивости работы газотурбинного двигателя необходимо как можно оперативнее (более 10 секунд) определить начало предпомпажных процессов и включить автоматику и механизмы, позволяющие это явление предотвратить [1].
В связи с этим, разработка способов и средств оперативной оценки предпомпажных явлений в газотурбинном двигателе по виду и параметрам распределений акустических процессов позволит оценивать опасность ситуации вне зависимости от типа, размеров и предыстории эксплуатации двигателей.
Существующие методы диагностики помпажа делятся на два вида:
1. По превышению скорости изменения давления.
2. По изменении температуры газа перед турбиной и частоте вращения ротора турбины.
Но эти виды диагностики помпажа имеют существенные недостатки. Первый позволяет устанавливать наличие помпажа уже при фактическом наступлении помпажного режима работы компрессора, так как пороговое значение назначают достаточно высоким. Второй имеет вероятность ложного срабатывания из-за того, что отношение температуры газов перед турбиной к частоте вращения ротора может превысить наперед заданное пороговое значение при изменении режима работы двигателя, а также этот метод имеет инерционность измерения температуры из-за недостаточно быстрой теплопередачи конструкционных материалов.
Поэтому на сегодняшний день актуальной и важной задачей является разработка аппаратно-программного комплекса акустической диагностики, позволяющего повысить оперативность определения предпомпажного состояния газотурбинных двигателей при разработке и эксплуатации в авиационном, судовом, танковом, железнодорожном двигателестроении.
В области акустической диагностики пердпомпажного состояния газотурбинных двигателей были проведены исследования в ЦИАМ и в Харьковском авиационном институте. Они выявили спектры вибросигналов, которые являются предвестниками помпажа, что позволит определять предпомпажное состояние за 10-320 секунд до наступления помпажа. Но здесь есть существенный недостаток и заключается он в том, что у каждого газотурбинного двигателя эта частота сигнала различна, поэтому этот способ не универсален и применим только в отношении определенного типа двигателей с предварительно проведенными исследованиями и расчетами в определении частоты сигнала, предвещающей помпаж газотурбинного двигателя [2, 3].
В связи с вышеизложенными обстоятельствами предлагается разработать аппаратно-программный комплекс, использующий анализ акустического сигнала для диагностики предпомпажных процессов. Этот аппаратно-программный комплекс позволит определять наличие предпомпажных процессов в ГТД за время – более 10 секунд до наступления фактического помпажа. Применение комплекса акустической диагностики не только своевременно сможет предотвращать помпаж, но и позволит повысить надёжность силовых машин в процессе эксплуатации не только авиационной, но и судовой, автомобильной, танковой, железнодорожной техники, а также турбинных установок, в частности применяемых на электростанциях.
Научная новизна предлагаемого решения в том, что используемый в предлагаемом аппаратно-программном комплексе способ диагностики газотурбинных двигателей на основе оценки вида и параметров распределений акустических процессов отличается от известных использованием инвариантов, позволяющих оперативно оценивать предпомпажное состояние вне зависимости от типа, размеров и предыстории эксплуатации двигателей, что делает этот способ универсальным. Пример используемого инварианта представлен в формуле 1.

где n – число импульсов в акустическом сигнале, µ – центральный момент, σ – дисперсия.
Примеры графиков изменения инвариантов показаны на рисунках 2 и 3.

Рисунок 2 – Изменение инварианта, основанного на нормальном распределении

Рисунок 3 – Изменение инварианта, основанного на критерии согласия Колмогорова

Применение инвариантов акустических сигналов для определения предпомпажного состояния газотурбинных двигателей позволит уйти от необходимости фильтрации шумов, что на современном этапе развития систем диагностики предпомпажного состояния на основе анализа вибраций играет огромную роль [4, 5].
Устройство работает следующим образом: пьезодатчики регистрируют виброакустические колебания, затем сигнал усиливается усилителями, оцифровывается в аналого-цифровом преобразователе и поступает в ПЭВМ для обработки и анализа оператором (рисунок 4). Оператор наблюдает на экране ПЭВМ графики изменения информативных параметров и инвариантов, характеризующих степень опасности в процессе мониторинга конструкций и принимает решение о применении противопомпажных систем.

1 – газотурбинный двигатель; 2 – высокочувствительный пьезоэлектрический датчик;
3 – пяти канальный аналого-цифровой преобразователь;
4 – ПЭВМ для обработки полученных данных
Рисунок 4 – Принцип работы устройства

Противопомпажная система может применяться в автоматическом режиме путем установки в программу опасных и критически опасных зон для информативных параметров и инвариантов, характеризующих возникновение помпажа. Пример задания опасных и критически опасных зон для инвариантов показаны на рисунке 5.

Рисунок 5 – Опасные и критически опасные зоны значений для инвариантов

Разрабатываемый экспериментальный образец аппаратно-программного комплекса акустической диагностики может позволить по предварительным расчётам на 10% снизить массу бортовой аппаратуры самолёта используемой для диагностирования предпомпажных процессов в газотурбинных двигателях. По сравнению с отечественными и импортными аналогами предпомпажной диагностической аппаратуры стоимость разрабатываемого аппаратно-программного комплекса по предварительным расчётам может быть снижена на 20%, а возможность диагностики предпомпажного состояния газотурбинных двигателей по виду и параметрам распределений информативных параметров акустических сигналов может позволить давать оценку состояния конструкции двигателя вне зависимости от вида, размеров и предыстории эксплуатации и по предварительным расчётам повысить точность и уменьшить время определения начала помпажа до 20%.
Внедрение разработанного способа диагностики предпомпажного состояния газотурбинных двигателей по виду и параметрам распределений информативных параметров акустических сигналов может позволить по предварительным расчётам до 5% снизить аварийность авиационной техники.

Литература
Токарев В.П., Кудашов Д.Д. Система диагностирования предпомпажного состояния газотурбинного двигателя // Вестник УГАТУ. Том 18, № 1 (62). 2014. С. 73–78.
Епифанов С.В., Чигрин В.С., Мохаммадсадеги Ф. Исследование методов обнаружения неустойчивых режимов работы осевых компрессоров с использованием анализа вибраций // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2015. С. 28-34.
Хориков А.А., Данилкин С.Ю., Мазикина Т.И. Ранняя диагностика вибрационного состояния многоступенчатых осевых компрессоров авиационных двигателей на предпомпажных режимах при стендовых испытаниях // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. Том 14. №3. 2015. С. 148-159.
Расщепляев Ю.С., Попов А.В. Метод инвариантов в задаче исследования потоков акустической эмиссии // Дефектоскопия, 2000. №10. С. 79-82
Расщепляев Ю.С., Попов А.В. Обобщение метода инвариантов для оценки изменения характеристик акустической эмиссии при контроле прочности конструкций // Контроль. Диагностика, 2006. - №5. - С. 28-30.

Алексей ПОПОВ,
доктор технических наук, доцент,
Александр РОМАНОВ,
Валентина ВОЛОШИНА
ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского
и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)