Контроль помпажных явлений ГТД на основе вейвлет-анализа и дискриминантых признаков

УДК 004.032.26

Т. В. Киприч, В. И. Дубровин

КОНТРОЛЬ ПОМПАЖНЫХ ЯВЛЕНИЙ ГТД НА ОСНОВЕ ВЕЙВЛЕТ-АНАЛИЗА И ДИСКРИМИНАНТЫХ

ПРИЗНАКОВ

Рассматривается задача раннего обнаружения помпажа двигателя. Для ее решения предложен подход на основе вычисления дискриминантных оценок распределения вейв-лет-коэффициентов сигнала давления воздуха за компрессором. Приводится сравнительный анализ результатов обнаружения срыва потока воздуха с помощью предложенной методики и сигнала, поступающего от датчика ДОЛ.

Введение

Постановка задачи

В процессе управления газотурбинным двигателем (ГТД) необходимо как можно раньше определить возникновение неполадок и возможность выхода двигателя на нерасчетные режимы работы. Одной из таких задач является ранняя диагностика развития помпажа в компрессоре. При помпаже возникают резкие периодические колебания давления и скоростей в газовоздушном тракте ГТД [1]. Поскольку помпаж может привести не только к сокращению срока службы работы двигателя, но и к его поломке, поиск предвестников помпажных явлений особенно важен. Использование стандартных анемометров позволяет определить возникновение срывных процессов всего за 10 мс до начала развития помпажа, что недостаточно для проведения работ по предотвращению аварии [2]. Поэтому для раннего обнаружения состояний типа помпаж необходима разработка соответствующих эффективных методик.

Одним из подходов при решении задачи ранней диагностики помпажа двигателя является использование вейвлет-анализа (ВА) для обработки временных и амплитудных характеристик сигналов измерительных систем, определяющих устойчивость работы компрессора. Полученные ранее результаты показали [2], что на определенных масштабах дисперсия распределения вейвлет-коэффициентов (ВК) сигналов от датчиков давления, расположенных в компрессоре, может заметно изменяться при возникновении и развитии предпомпажной ситуации. Однако дисперсия относится к диагностическим признакам, которые связаны с абсолютным значением характеристик измеряемого параметра, и поэтому зависит от значительно числа факторов, изменяющих ее величину при неизменном состоянии объекта диагностики [3]. Дискриминантные признаки лишены этого недостатка. Наибольшей чувствительностью к нарушению стабильности функционирования машин обладают « дискриминанты».

Предлагается провести диагностику развития ситуации типа помпаж с помощью слежения за изменением параметра дискриминант по распределению ВК сигнала давления воздуха за компрессором; сравнить полученные результаты с данными по обнаружению помпажа на основе дополнительных параметров контроля процесса: коэффициентов эксцесса и асимметрии, а также сигнала, поступающего со штатного логарифмического датчика типа ДОЛ.

Анализ вейвлет-коэффициентов с помощью 8-дискриминант

В данной работе используется наиболее простой и эффективный в реализации безразмерный амплитудный индекс превышения порога клиппирования Р по «дисперсии» I^ [4]. Для правильной интерпретации коэффициентов вейвлет-разложения исследуемого сигнала на определенном масштабе (уровне) введем следующие обозначения:

N

1_1yNl*vel

/ ^ V i, level level /

level

K

level

d, level

N

ZNlevel (k(n) _ р ) K, j= V j,level level/

level

level

где level -уровень вейвлет-разложения сигнала;

h-aLei, kj"lvd - отсчеты значений временных реализаций ВК текущего и эталонного состояния объекта, соответственно;

^level 'K level - число отсчетов для амплитудных значений ВК, которые превышают порог клип-пирования Pievei в текущем и эталонном состоянии на уровне level;

Nlevel - количество ВК на уровне level;

Plevel - порог клиппирования амплитуд ВК на

© Т. В. Киприч, В. И. Дубровин, 2008

уровне level, который определяется следующим соотношением:

, level ;

где X = 1...3 - коэффициент пропорциональности, определяющий чувствительность дискриминантов к отклонениям параметров технического состояния от нормы;

5 п,1еуе1 - стандартное отклонение ВК, соответствующих эталонному состоянию сигнала, от среднего значения при нормальном функционировании машины.

Чем выше порог, тем выше чувствительность дискриминанта. Практика показала, что наиболее приемлемым значением является X = 2 [5].

При анализе полученных результатов используются следующие свойства обобщенного дискриминанта (1А):

1) 1А к 1, при несущественных отклонениях параметров технического состояния от нормы;

2) 1А >> 1, при недопустимых отклонениях параметров, граничащих с возникновением аварийной ситуации.

Эксцесс и асимметрия при обработке вейв-лет-коэффициентов

В качестве дополнительных параметров контроля данного процесса были выбраны коэффициенты эксцесса Е и асимметрии А, на основании значений

которых можно судить о близости исходного распределения к нормальному (нормальное распределение характеризует беспомпажную работу двигателя) [1].

Для анализа ВК на определенном уровне разложения с помощью приведенных статистических оценок, необходимо ввести следующие уточнения:

1(К

- m л

i, level level J

A = i='

level

N 5 3

level level

level M level)

Elevel = '

N 5 4

level level

-3,

где k, levei - значение i-го вейвлет-коэффициента на уровне level;

A-ievel' Elevel - коэффициенты эксцесса и асимметрии на уровне level;

M, level;

5

level;

level - математическое ожидание ВК на уровне level - стандартное отклонение ВК на уровне

N

level

- количество ВК на уровне разложения level.

Алгоритм диагностирования сигнала приведен на рис. 1.

Описание обозначений для данной схемы дано в табл. 1.

А»0

3

4

i=1

Рис. 1. Диагностика сигнала с помощью ВА и дискриминантых признаков

ISSN 1727-0219 Äannkcz ääccqnäeännsiäkc ' '1/2008

- 159 -

Таблица 1 - Описание обозначений рис. 1

Параметр Описание

м Исходный сигнал с номером 1

N Разрешение сигнала

Уровень разложения сигнала

м Количество ВК на уровне ]

КЩ] Множество ВК на уровне ] объемом т

На рис. 3-4 показаны кривые изменения коэффициентов эксцесса и асимметрии вблизи помпаж-ной области. За 10-40 мс до обнаружения помпажа датчиком ДОЛ амплитуда данных параметров начинает увеличиваться.

Г- 1В 16

Из рис. 1 следует, что при возникновении пред-помпажной ситуации I^ >> 1, А >> 0, Е >> 3.

Результаты

С помощью разработанной методики в данной работе был проведен анализ сигнала давления воздуха за компрессором (Р^). Частота дискретизации составила 104 Гц в секунду. Число измерений в окне - 500. Аналогично [2], для вычисления ВК применялся вейвлет Добеши (О8). Общее число отсчетов сигнала - 160001.

На рис. 2 показаны кривая изменения Ркус1 и сигнал об обнаружении помпажа, который поступал от датчика ДОЛ на диапазоне отсчетов 126000:127250. Границы обнаружения помпажа с помощью ДОЛ выделены красным цветом.

Рис. 3. Изменения коэффициента эксцесса для распределения ВК сигнала Р

Значение величины I^ на 3-м уровне вейвлет-раз-ложения начинает колебаться за 1 с до возникновения сигнала об обнаружении помпажа от датчика ДОЛ (рис. 5).

Рис. 4. Изменения коэффициента асимметрии для распределения ВК сигнала Р

Рис. 2. Кривая изменения сигнала Р^ и сигнал об обнаружении помпажа от ДОЛ

Из рис. 2 видно, что помпажу предшествуют срывные процессы, для которых характерна группа высокочастотных компонент сигнала Ркус1. При пом-паже распределение энергии частотных составляющих переходит в область низких частот. Таким образом, диагностику возможных предпомпажных явлений, необходимо выполнять на масштабах, соответствующих высоким частотам. Поэтому анализ сигнала Ркус1 был выполнен на 3-м уровне вейвлет-разложения.

Рис. 5. Кривая изменения I^ для распределения ВК сигнала

Р

Из рис. 3-5 следует, что на данном уровне разложения 1^ указывает на возникновение помпажных явлений раньше, чем они будут зафиксированы с помощью датчика ДОЛ и прежде, чем начнут заметно изменяться коэффициенты эксцесса и асимметрии.

Выводы

Результаты проведенного исследования, позволяют говорить о том, что разработанный подход на основе вейвлет-анализа и дискриминантных признаков с высокой скоростью и степенью достоверности фиксирует помпажные явления, которые опережают сигнал, поступающий от датчика ДОЛ. Наибольшей чувствительностью к обнаружению пред-помпажных явлений обладает 5-дискриминант.

Перечень ссылок

1. Кирпич Т.В., Дубровин В.И. Диагностика пом-пажа двигателя на основе вейвлет-анализа и самоорганизующихся карт Кохонена // Новые материалы и технологии в авиационной и ракетно-космической технике. VI конкурсная конференция молодых специалистов авиационных, ракетно-космических и металлургических организа-

ций России: Сборник материалов в 2-х частях. Ч.1. Королев: НОУ «ИПК Машприбор», 2007. -С. 40-41.

2. И.М. Дремин, О.В. Иванов, В.А. Нечитайло Вейвлеты и их использование // Успехи физических наук. - Т.171. - №»5. - 2001. - С. 493495.

3. Н.И. Бурау, Ю.В. Сопилка Повышение чувствительности дискриминантых признаков трещины в задачах виброакустической диагностики элементов роторных систем //Акустичний вюник. - Т.6. - № 3. - 2003. - С. 10-17.

4. A.G. Sokolova, K. Pichugin Dimensionless Machine Vibration S-Discriminants as a Mean to Improve Monitoring and Get Fault Detection http://www.ultrasonic.de/article/ecndt2006/doc/ P82.pdf

5. Неразрушающий контроль: Справочник. В 8 т. Т. 7: В 2 кн., Кн.1; Кн.2: Метод акустической эмиссии. Вибродиагностика // Иванов В. И., Власов И.Э., Балицкий Ф.Я., Барков А.В., Баркова Н. А.; Под общ. ред. Клюева В. В. 2-е издание, испр. М: Машиностроение, 2006. - 829 с.

Поступила в редакцию 10.12.2007

Розглядаеться задача раннього виявлення помпажу двигуна. Для ii ршення запропоно-вано mdxid на основi обчислення дискримiнантних оцiнок розподшу вейвлет-коефiцiентiв сигналу тиску повiтря за компресором. Наводиться порiвняльний анализ результатiв виявлення зриву потоку повiтря за допомогою запропоновано'1' методики й сигналу, що надхо-дить вiд датчика ДОЛ.

The problem of early detection of engine surge is considered. The approach on the base of calculating discriminant characteristics of wavelet-coefficients distribution for air pressure signal behind compressor is suggested to solve this problem. Comparison of results of stall detection by the developed method and the signal coming from sensor DOL is given.

ISSN 1727-0219 Aânnkcz äaccqnâéânnsiâkc '11/2008 - 161 -