Диагностирование технического состояния топливного агрегата ГТД в эксплуатационных условиях

АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА

УДК 621.4

А. С. Гишваров, Д. А. Смышляев

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТОПЛИВНОГО АГРЕГАТА ГТД В ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ УСЛОВИЯХ

Объектом исследования является топливный агрегат газотурбинного двигателя. Решается задача по прогнозированию технического состояния топливного агрегата ГТД, используя математическую модель, связывающую выходные параметры технического состояния с вибронагруженностью. Математическая модель; быстрое преобразование Фурье; парная корреляция; множественная регрессия; наработка

Отказы агрегатов топливорегулирующей системы ГТД могут приводить к различным последствиям, начиная от снижения тяги двигателя до его самопроизвольного останова или даже пожара.

В этом плане актуальным является решение задачи по разработке эффективной системы диагностики состояния, обеспечивающей своевременное принятие решения о возможности дальнейшей эксплуатации агрегата. При этом требуется по результатам косвенных измерений оценить неизвестное состояние объекта диагностики, которые имеют, как правило, не детерминированную, а статистическую связь с неизвестным состоянием. Такая задача решается с применением методов теории вероятности и математической статистики.

Целью проводимого исследования является создание методики диагностики состояния топливного агрегата ГТД, обусловленного его виб-ронагруженностью в процессе эксплуатации. Исследование проводилось на основе данных эксплуатации 49 топливных агрегатов, эксплуатируемых в составе ГТД.

Исследуемый агрегат входит в систему управления площадью критического сечения реактивного сопла. Отказы данного агрегата приводят к следующим последствиям: невозможность изменения площади критического сечения сопла (следствие - снижение тяги), течь топлива по корпусу двигателя (следствие - возможен пожар), засорение топливной автоматики двигателя стружкой (следствие - непредсказуемые отказы, дорогостоящий ремонт и промывка топливной системы двигателя).

Оценка состояния агрегата проводилась по двум параметрам:

• по механическому износу;

Контактная информация: mar55@mail.ru

• по вибрации агрегата на различных режимах работы двигателя при его опробовании.

По результатам измерений износа были выявлены агрегаты, относящиеся к одной из следующих групп:

• агрегат является кондиционным (механический износ практически отсутствует);

• агрегат имеет повышенный износ;

• износ агрегата превышает предельный уровень.

Износ, оцениваемый измерением геометрических размеров, является наиболее достоверным методом, однако, имеет ряд существенных недостатков:

• требует значительного времени;

• существует риск повреждения агрегата в процессе измерений.

Вибрационное состояние оценивалось с помощью датчиков вибрации, установленных в осевой и поперечной плоскостях агрегата.

По отдельному каналу контролирующей аппаратуры проводилась запись частоты вращения ротора высокого давления двигателя.

Первичная обработка сигнала проводилась с помощью алгоритмов быстрого преобразования Фурье. Для каждого конкретного случая был получен спектр сигналов вибрации. Далее было проведено разбиение спектра на гармонические составляющие (в зависимости от частоты вращения ротора высокого давления).

При этом с учетом погрешности, вносимой датчиком частоты вращения, строился доверительный интервал для каждой гармонической составляющей, внутри которого определялась максимальная ее величина, которая в последующем принималась за оценочную в процессе моделирования.

Всего в расчете использовались 36 гармонических составляющих для осевого и поперечно-

го каналов. Данное число гармоник было обусловлено тем, что дальнейшее увеличение их количества приводило к перекрытиям доверительных интервалов, что, в свою очередь, не позволяло однозначно относить экстремумы спектра к той или иной гармонике. Исследование проводилось в следующей последовательности:

Оценка коэффициентов парной корреляции:

гТРо

где гТРо^) - коэффициент парной корреляции между значениями механического зазора Т и значениями гармонических составляющих вибрации осевого канала для г = 1..36; гТРр^ -коэффициент парной корреляции между значениями механического зазора Т и значениями гармонических составляющих вибрации поперечного канала для г = 1..36; гхРо(Г) - коэффициент парной корреляции между значениями наработки агрегата х и значениями гармонических составляющих вибрации осевого канала для 1 = 1..36; гхРр^) - коэффициент парной корреляции между значениями наработки агрегата х и значениями гармонических составляющих вибрации поперечного канала для г = 1..36; гТх -коэффициент парной корреляции между значениями механического зазора Т и наработкой агрегата х. Результаты расчетов приведены в табл. 1.

По результатам расчетов получены следующие максимальные значения коэффициентов корреляции:

г ТРо(г)тах г ТРо(33)(реж. Макс) 0,58;

г ТРр(г)тах г ТРр(13)(реж. 95%) г ТРр(33)(реж. Макс) 0,62;

гхРо(1)тах гхРо(18)(реж. МГ) 0,47;

гхРр(г)тах гхРр(9)(реж. 95) 0,52;

Гтх = 0,32.

Значения коэффициентов ГтРо(г)тах, ГТРр(г)тах,

г Ростах и ГХРр(г)тах характеризуют связь между соответствующими параметрами как «связь средней тесноты», а коэффициент гТх определяет связь между наработкой агрегата и механическим зазором как «слабую».

Видно, что детерминированная связь между рассматриваемыми параметрами отсутствует.

Оценка многомерной регрессионной связи технического состояния агрегата, определяемого зазором Т, в зависимости от его вибрационного состояния. Рассматривались следующие модели:

36 36

Т1 = «37 + Е агРРг; Т2 = «37 + Е «гРог ';

1 1

36

Т3 = «37 + «38х + Е агРРг ';

1

36 36

Т4 = «37 + «38х + Е агРог'; Т5 = «37 + Е ,

11

где Т - зазор, определяющий уровень технического состояния агрегата; Рр1 - значение г-й гармоники поперечной составляющей вибрации (после нормализации); Рог - значение г-й гармоники осевой вибрации (после нормализации); аг - коэффициент регрессионной модели; х -наработка агрегата (после нормализации); Рл -параметр вибрации, определяемый из значений Рр и Ро по формуле:

Рй1 = о^ТРрЧР?.

Таблица 1

Фрагмент результатов расчетов коэффициентов парной корреляции

№ гармонической составляющей гТРо

1 0,19 19 0,37

2 -0,08 20 0,26

3 0,06 21 0,35

4 0,07 22 0,13

5 0,01 23 0,13

6 -0,14 24 0,19

7 0,04 25 0,06

8 0,21 26 -0,08

9 0,05 27 -0,02

10 0,15 28 -0,09

11 0,24 29 -0,09

12 0,09 30 0,01

13 0,35 31 -0,08

14 0,05 32 0,23

15 0,02 33 0,35

16 -0,02 34 0,03

17 0,06 35 0,05

18 -0,08 36 0,29

Для каждой из моделей были определены коэффициенты множественной регрессии.

Из перечня рассмотренных моделей в качестве окончательной была выбрана модель вида:

36

Т = «37 + Е «гРЛ .

1

Значения коэффициентов регрессионной модели для различных режимов работы двигателя приведены в табл. 2.

БАЗА ДАННЫХ

I

Режим № 1

Осевой канал

РоЬ Ро2,---, Ро36

Поперечный канал

Рр1, Рр2, - • Рр36

I

Режим № 4

Осевой канал

Ро1, Ро2,---, Ро36

Поперечный канал

Рр1, Рр2,---, Рр36

I

Режим № 1

Осевой канал

Ро1, Ро2,- • Ро36

I

Режим № 4

Осевой канал

Ро1, Ро2,- • Ро36

Поперечный канал

РрЬ Рр2,---, Рр36

Рис. 1. Блок-схема исходных данных: Т - измеряемый зазор в агрегате, мм; х - наработка агрегата, ч

к g

Гц

V, Гц

Рис. 2. Спектр сигнала вибрации с разбиением его на доверительные интервалы гармонических составляющих с определенными гармоническими составляющими и доверительными интервалами

і

т

_2_

_3_

_4_

_5_

_6_

_7_

_8_

_9_

_10

_11_

І2

і!

і!

_15

І6

і!

_18

_19

20

21_

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

МГ

-0,25

-0,09

0,04

0,00

-0,03

-0,90

1,52

0,13

-0,10

-0,22

-0,02

0,36

0,01

0,07

-0,15

-0,59

0,03

0,13

-0,14

-0,02

0,51

-0,18

0,22

-0,30

0,08

-0,46

0,16

-0,33

0,38

-0,21

-0,36

0,51

0,22

0,52

-0,36

-0,40

0,61

Т аблица 2

Режим работы ГТ Д

92 %

-1,67

-0,39

-0,03

0,02

2,47

-1,29

0,26

0,29

-0,29

-0,04

0,01

0,22

0,26

0,60

-0,30

-0,29

-0,58

-0,02

0,17

0,12

-0,03

-0,13

-0,17

-0,21

0,15

0,89

0,29

-0,26

-0,14

0,08

0,07

-0,02

-0,05

-0,07

0,27

0,05

0,81

95 %

0,41

0,00

0,15

0,10

-0,10

-0,15

-0,16

-0,01

0,06

0,03

0,43

-0,25

0,21

0,03

-0,25

0,00

0,15

-0,11

0,21

-0,01

-0,05

0,16

-0,05

0,14

0,05

0,19

-0,31

0,32

0,09

0,26

-0,87

-0,01

0,34

0,33

0,14

-0,25

1,50

Макс

-0,01

0,02

-0,02

0,01

0,12

-0,04

0,20

-0,23

0,19

-0,01

-0,43

0,02

-0,06

0,14

0,04

0,37

0,12

-0,07

-0,34

-0,23

-0,34

-0,10

0,07

-0,01

0,07

-0,12

0,01

0,08

0,01

-0,02

0,18

-0,05

0,35

0,22

0,26

-0,09

0,53

Из выбранных для каждого режима моделей проводилось исключение гармоник с малыми весовыми коэффициентами, после чего производился повторный расчет модели. В итоге в качестве окончательной была выбрана модель, позволяющая для режима 3 (пвд = 95 %) с вероятностью 85 % оценивать состояние агрегата.

Таким образом, проведенное исследование позволяет рекомендовать оценку состояния агрегата по данным его вибрационного контроля проводить в следующей последовательности:

• проводится измерение вибрации агрегата на режиме работы двигателя пвд = 95 %;

• по уравнению регрессии проводится оценка уровня износа агрегата (Т);

• полученное значение Т сравнивается с его нормативным значением Т и делается заключение о техническом состоянии агрегата.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Смышляев Д. А., Гишваров А. С. Исследование вибрационного состояния топливного агрегата ГТД // Мавлютовские чтения: сб. тр. Российск. науч.-техн. конф. Т. 2 / Уфимск. гос. Авиац. Техн. ун-т. Уфа: УГАТУ, 2011. 229 с.

2. Смышляев Д. А., Агеев Г. К. Моделирование вибрации ГТД как случайного процесса // Мав-лютовские чтения: сб. тр. Российск. науч.-техн. конф. Т. 1 / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа: УГАТУ, 2009. 139 с.

ОБ АВТОРАХ

Гишваров Анас Саидович, проф., зав. каф. авиац. двигателей. Дипл. инженер-механик по авиац. двигателям (УАИ, 1973). Д-р техн. наук по тепл. двигателям летательн. аппаратов (УГАТУ, 1993). Иссл. в обл. надежности, ресурса и испытаний техн. систем.

Смышляев Дмитрий Александрович, асп. каф. авиац. двигателей. Дипл. инженер-механик по авиационным двигателям (УГАТУ, 2006). Иссл. в обл. диагностики техн. систем.