Способ спектральной оценки возникновения предпомпажного состояния газотурбинных двигателей воздушных судов
METHOD FOR SPECTRAL ASSESSMENT OF THE OCCURRENCE OF THE PRE-SURGE CONDITION OF AIRCRAFT GAS TURBINE ENGINES

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к диагностике состояния газотурбинных двигателей (ГТД) воздушных судов  (ВС), а именно к диагностике предпомпажного состояния, и может быть использовано с целью оперативного выявления предпомпажных режимов работы ГТД для своевременного применения существующих противопомпажных систем ВС, которые при своевременном включении не допускают выхода из строя или разрушения ГТД ВС.
Установлено, что предпомпажное состояние ГТД характеризуется степенью развития вращающегося срыва на одной или нескольких ступенях компрессора, поэтому факт образования и характер развития вращающегося срыва позволяет диагностировать предпомпажный режим работы ГТД.
Лопатки ротора компрессора, проходя через зону вращающегося срыва, создают упругие волны, которые распространяются по деталям компрессора в виде механических колебаний (вибрации) по всем конструктивным элементам ГТД, поэтому анализ спектров акустических процессов при работе ГТД позволяет обнаружить начало предпомпажного режима работы ГТД.
Установлено, что спектральные характеристики акустического сигнала исправно работающего ГТД во времени остаются практически неизменными. Предлагается определять возникновение и производить оценку степени развития вращающегося срыва, обнаруживая при этом предпомпажный режим работы ГТД ВС, на ступенях компрессора авиационного двигателя путем анализа отклонений распределения числовых характеристик спектров акустического сигнала во времени при помощи двухвыборочного критерия согласия Колмогорова.
k
k
k
Для этого предлагается полученные амплитуды сигнала с акустического датчика, установленного в зоне работы компрессора ГТД ВС,  разделять на выборки (фиг. 1) по времени: где t1 – длина первой выборки амплитуд акустического сигнала; t2 – длина первой выборки амплитуд акустического сигнала; t3 – интервал между выборками, при этом t1 = t2 = t3 = 1 сек. Далее при помощи преобразования Фурье (ПФ) [Колобов А.М. Избранные главы высшей математики. – Часть 1. Ряд Фурье. Интеграл Фурье. Операционные исчисления. – Минск: Высшая школа, 1965 г., С. 88] вычислить спектральную плотность каждой выборки и производить сравнение спектральной плотности первой выборки со спектральной плотности второй выборки при помощи критерия согласия Колмогорова [Рекомендации по стандартизации Р 50.1.037-2002 Часть 2 Непараметрические критерии, п. 3.1.1, С. 23]. По изменению значения величины статистики S критерия согласия Колмогорова делается вывод о начале предпомпажного режима работы компрессора ГТД ВС. Если S < 0.5 компрессор ГТД работает в устойчивом режиме, если S > 0.5, то компрессор ГТД работает в предпомпажном режиме. Данный способ позволяет оперативно определять начало предпомпажного режима работы ГТД ВС.
Известен способ диагностики помпажа компрессора [патент РФ №2382909, С2, опубл. 27.02.2010, бюл. №6], при котором измеряют давление за компрессором, температуру газа за турбиной и частоту вращения ротора, затем производят вычисление производной давления за компрессором ГТД и температуры газа за турбиной и сравнивают полученное отношение производных температуры и давления к частоте вращения ротора с заданным пороговым значением, и, в случае превышения полученной величиной порогового значения, делают вывод о наличии помпажа компрессора.
Недостатком этого способа является то, что это способ позволяет устанавливать наличие помпажа уже при фактическом наступлении помпажного режима работы компрессора, так как пороговое значение назначают достаточно высоким при этом недостаточно времени для предотвращения помпажа. Снижение порогового значения для более ранней диагностики помпажа приведет к ложному срабатыванию противопомпажных средств защиты ГТД.
Близких аналогов заявленного способа спектральной оценки возникновения предпомпажного состояния газотурбинных двигателей воздушных судов не выявлено.
Техническим результатом применения заявленного способа является оперативное определение начала развития предпомпажных процессов ГТД ВС, что обеспечивает увеличение времени для применения противопомпажных средств защиты за счет раннего обнаружения предпомпажного режима работы и уменьшение времени неустойчивой работы ГТД ВС.
k
k
Технический результат достигается тем, что принимают акустические сигналы, по меньшей мере, одного виброакустического датчика, установленного в зоне компрессора ГТД ВС на силовых элементах, регистрируют амплитуды сигналов датчика, разделяют полученные амплитуды акустического сигнала на выборки по времени, для которых определяют спектральную плотность при помощи преобразования Фурье, затем сравнивают числовые характеристики спектральной плотности выборок между собой при помощи значения статистики критерия согласия Колмогорова и сравнивают полученные значения статистики критерия Колмогорова с заданным пороговым значением и при выполнении условия S > 0,5 хотя бы для одного датчика, где S – значение статистики критерия Колмогорова, принимают решение о возникновении предпомпажного режима работы ГТД и подают сигнал на применение противопомпажных средств защиты.
k
Разработанный способ может быть реализован с помощью устройства, представленного на фиг. 2. Где 1.1 … 1.n – блоки регистрации акустического сигнала с ГТД; 2.1 … 2.n – блоки разделения полученного сигнала на выборки; 3.1 … 3.n – блоки вычисления спектральных плотностей при помощи преобразования Фурье для амплитуд акустических сигналов; 4.1 … 4.n – блоки вычисления значения статистики S критерия согласия Колмогорова; 5 – схема сравнения полученных значений статистики с заданным значением и подачи сигнала для применения противопомпажных средств защиты.
k
k зад.
k
k
Назначение элементов устройства ясны из названия. Устройство работает следующим образом: Акустические датчики (1.1 … 1.n) установленные в зоне компрессора на силовых элементах, регистрируют амплитуды акустических сигналов, в блоках 2.1 … 2.n разделяют полученные амплитуды акустического сигнала на выборки по времени, для которых в блоках 3.1 … 3.n вычисляют спектральную плотность при помощи преобразования Фурье, с использованием полученных данных в блоках 4.1 … 4.n вычисляют значение статистики S критерия согласия Колмогорова для спектральных плотностей выборок каждого датчика, в блоке 5 сравнивают его с заданным значением (S), при выполнении условия S > 0,5 хотя бы для одного датчика, где S – значение статистики критерия Колмогорова, принимают решение о наличии предпомпажного режима работы газотурбинного двигателя и подают сигнал на применение противопомпажных средств защиты.