Способ вибродиагностирования газотурбинного двигателя
VIBRATION DIAGNOSTIC METHOD OF GAS TURBINE ENGINE

Область техники, к которой относится изобретение. Предлагаемое изобретение относится к области контроля технического состояния газотурбинных двигателей (ГТД), а именно, к способу вибродиагностирования газотурбинного двигателя.
Предлагаемый способ может быть применен для мониторинга вибросостояния авиационных ГТД, как на наземных устройствах обработки информации, так и в бортовых системах контроля двигателей, а также может быть применен для вибродиагностирования двигателей, используемых в электроэнергетике и для транспортировки газа.
Уровень техники. Известен способ определения состояния объекта при вибродиагностике, включающий получение вибродиагностических параметров в виде вибросигнала (перемещение, скорость, ускорение и т.д. исследуемого объекта) во временной области, его последующую обработку (патент RU №2187086, по кл. G01M 7/00, 2002 г)
В известном способе сигнал не переводят в частотную область, а строят фазовое пространство - пространство состояний по перемещению и/или его производным количеством n (n=2, 3, …), по выбранным подпространствам которого определяют тип дефекта и его характеристику на фоне общего технического состояния.
Недостатком данного метода является необходимость наличия эксперта для сравнения графиков и выработки диагностического решения. Автоматическая обработка информации не предусмотрена.
Известен способ диагностики технического состояния газотурбинного двигателя, при котором выбирают параметры, подлежащие контролю, определяют исходные значения этих параметров, а также регистрируют эти параметры на диагностируемом ГТД с помощью датчиков, определяют отклонения значений зарегистрированных параметров от исходных, формируют векторы входных параметров. (С.В. Жернаков. Применение технологии нейронных сетей для диагностики технического состояния авиационных двигателей. Научно-практический журнал ИжГТУ «Интеллектуальные системы в производстве», 2006 г., №2, стр. 70-80).
Полученные данные обрабатывают с помощью нейронной сети Кохонена. Нейронную сеть предварительно обучают и проводят формирование структуры классов (кластеризацию) по обучающей выборке с указанием априорно известной структуры классов. При диагностике формируют выходные сигналы сети, выбирают нейрон с максимальным значением сигнала, определяют класс, к которому он относится, и делают вывод об изменении в техническом состоянии двигателя.
Этот способ не обеспечивает отслеживание технического состояния ГТД в процессе развития неисправности, т.е. не позволяет проводить обработку временных рядов, т.к. выполняет только оценку текущего технического состояния, без учета технического состояния в прошлом (не формируется авторегрессионая зависимость), поэтому не допускает выявления процессов развития неисправностей ГТД на ранних стадиях.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ вибродиагностики газотурбинного двигателя, включающий получение эталонного значения вибросостояния при испытаниях двигателя, получение рабочего значения вибросостояния двигателя, причем значения получают путем снятия показаний датчика вибрации, сравнение эталонного и рабочего значения вибросостояния двигателя, и определение его технического состояния (патент RU №2499240 по кл. G01M 15/14, 2015).
Недостатком известного способа является необходимость создания модели вибросостояния двигателя в виде зависимости уровня вибрации от оборотов ротора ГТД и других величин, т.к. амплитуда вибрации, зависищаяся от многих величин, постоянно меняется. Вследствие чего, модель вибросостояния двигателя и соответствующий алгоритм необходимо поддерживать в актуальном состоянии, и для каждого двигателя они индивидуальны.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание способа вибродиагностики газотурбинного двигателя, позволяющего по одному параметру - вибросигналу ГТД определять техническое состояние опорных подшипников двигателя.
ε
Раскрытие сущности изобретения. Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием способа вибродиагностики газотурбинного двигателя, включающего получение эталонного значения вибросостояния при испытаниях двигателя, получение рабочего значения вибросостояния двигателя, причем значения получают путем снятия показаний датчика вибрации, сравнение эталонного и рабочего значения вибросостояния двигателя, и определение его технического состояния в котором, согласно изобретению, дополнительно создают дефектное состояние механической системы двигателя, снимают показания датчика вибрации в дефектном состоянии, при этом на эталонных, рабочих и дефектных режимах определяют показатель структуры Pstr - числовую характеристику вибросигнала, который находят посредством вычисления количества независимых параметров, от которых зависит вибросигнал, отражающий одну из координат ГТД как динамической системы, путем предварительной оценки параметра  при различных ε, где m - среднее количество точек в окрестности радиусом ε от точек временного ряда, которое рассчитывают методом корреляционного интеграла, причем D вычисляют для различных временных задержек между отсчетами вибросигнала, например, 10, 25, … 100 отсчетов, и числа координат в которых происходит разложение вибросигнала, от 2 до 20, а показатель структуры принимает значение номера координаты, при котором начинается ограничение по величине D и затем анализируют изменения показателей структуры во времени и определяют техническое состояние газотурбинного двигателя.
Показатель структуры вибросигнала является фундаментальной характеристикой двигателя как динамической системы.
Под параметром D понимается размерность вибросигнала, вычисленная с помощью корреляционного интеграла, означающая количество независимых координат (факторов) от которых зависит наблюдаемый сигнал какой-либо динамической системы [1, 2, 3].
В нашем случае динамической системой является газотурбинный двигатель, а одномерной наблюдаемой координатой - сигнал со штатного датчика вибрации. Для оценки D динамической системы необходимо последовательно преобразовывать сигнал в 2-х, 3-х и т.д. до 20-ти мерного (в литературе [1-3] называется числом координат пространства вложения или размерностью пространства вложения) с вычислением D для каждого преобразования (теорема Такенса [5, 6]).
ε
При этом среднее число многомерных точек данных m, находящихся в окрестности радиусом ε для каждого массива находится путем вычисления корреляционного интеграла (алгоритм Грасбергера-Прокаччио [4]):
где m - количество многомерных точек исходных данных;
- координаты точек данных в многомерном пространстве; i,j=1…m;
ξ() - функция Хевисайда, которая равна 1, если расстояние (модуль) между точками меньше ε, и равна 0 в противоположном случае.
Далее необходимо найти m(ε) для различных ε, отложить полученную зависимость в системе координат с двойным логарифмическим масштабом, определить на графике линейный участок и его угловой коэффициент:
Величина D будет оценкой размерности наблюдаемой нами динамической системы и носит название корреляционной размерности, т.к. для ее вычисления используется корреляционный интеграл.
При преобразовании исходного одномерного ряда данных в многомерный (реконструкция фазового пространства методом запаздывания [5, 6]) необходимо выбрать определенное время задержки между отсчетами вибросигнала (от 1 до 100). Время задержки зависит, с одной стороны, от типа ГТД и, с другой стороны, от параметров системы регистрации вибросигнала двигателя.
Если наблюдаемый сигнал случайный (шум), то D будет по мере увеличения числа координат разложения расти не ограничиваясь. Если же D прекращает рост, то эта величина D и соответствующая ей координата пространства вложения (названа автором показателем структуры Pstr) будут характеризовать наблюдаемую динамическую систему.
Осуществление изобретения. В качестве исходных данных для вычисления D и Pstr используется файл значений уровня вибрации, полученный штатной бортовой измерительной системой самолета (для авиационных двигателей) в течение одного полета, записанный в устройство регистрации летательного аппарата и после окончания полета скопированный и перенесенный на персональный компьютер.
Никакие другие параметры работы авиационного двигателя (обороты роторов, температура и давление в характерных сечениях), параметры траектории летательного аппарата (высота, скорость, перегрузки, угол атаки, крена, тангажа) и состояния атмосферы (температура, давление) для заявленного способа не требуются.
Дефектное состояние механической системы двигателя создается двумя способами:
а) путем искусственного внесения повреждений в элементы механической системы (например, в кольца и/или тела качения опорных подшипников) и последующую их установку на специальный испытательный стенд с анализом вибросигнала описанным способом;
b) путем обработки и анализа вибросигнала двигателей, работа которых завершилась их аварийной остановкой в процессе работы. Примером реализации заявленного способа вибродиагностирования применительно к одному из типов авиационных ГТД, полученному по результатам натурных испытаний, является график фиг. 2, где показано изменение Pstr двигателя с развивающимся дефектом его опорного подшипника.
Показатель структуры вибросигнала ГТД Pstr при его эталонном состоянии находится в диапазоне 9…10 единиц, а при наличии дефекта опорного подшипника двигателя он снижается до 3…4 единиц. Значения Pstr равные 5...6 единиц соответствуют пограничному техническому состоянию ГТД и могут использоваться для организации его внеочередного контроля с помощью других видов диагностирования (виброакустического, трибодиагностического, анализа амплитуды вибросигнала и его тренда, проверки маслофильтров и магнитных пробок на наличие металлических включений).
В ходе испытаний выдавались следующие диагностические сигналы: •«Дополнительный контроль ГТД» после снижения Pstr до 5-ти единиц во втором полете летательного аппарата;
-«Дефект ГТД» после снижения Pstr до 4-х единиц в пятом полете летательного аппарата;
- в 7-м полете произошла аварийная остановка двигателя в полете по причине разрушения опорного подшипника ГТД с выдачей сигнала «Отказ ГТД» штатной системой автоматического управления и контроля двигателя.
Предлагаемый способ позволяет диагностировать изменение технического состояния ГТД по времени раньше, чем вышеуказанные известные способы, делать это в отличие от них в автоматическом режиме работы и без необходимости наличия моделей вибросостояния двигателя.
Краткое описание чертежей. Предлагаемое изобретение поясняется нижеследующим описанием, чертежом и графиком, где
на фиг. 1 представлена схема системы для осуществления способа вибродиагностирования;
на фиг. 2 приведено изменение Pstr ГТД с развивающимся дефектом опорного подшипника двигателя.
Система для осуществления способа вибродиагностики ГТД содержит датчик вибрации, предназначенный для получения входных данных, которые в аналоговом виде поступают на блок 1.
В блоке 1 производят подготовку данных для последующей обработки: дискретизацию с заданной частотой, выделения скользящих кадров вибросигнала для записи в файл.
В блоке 2 производит изменение числа анализируемых координат, которое последовательно принимает значение от 2 до 20.
В блоке 3 осуществляют реконфигурацию входных данных в соответствие со значениями, поступающими с блоков 2 и 4.
В блоке 4 формирует задержку, необходимую между последовательными отсчетами входных данных. Эту операцию можно проводить как в ручную с пульта управления, так и быть заранее определенной одной или несколькими величинами.
В блоке 5 производят вычисление среднего числа точек входных данных, находящихся в окрестности размером ε от каждой из точек и находят коэффициент зависимости среднего числа точек от величины ε.
Вычисления производят для каждого набора данных с определенным временем задержки и номером координаты.
В блоке 6 определяют номер координаты, при котором происходит ограничение значения, поступающего с блока 5. Зависимость полученного номера координаты от времени является главным диагностическим инструментом данного устройства.
В блоке 7 производят формирование сигналов, сообщений и графиков. Техническое исполнение каждого блока зависит от места установки устройства. Для авиационных и наземных ГТД ими могут быть: диагностические центры разработчиков, производителей и эксплуатирующих организаций, бортовые устройства контроля и управления двигателей. В каждом из этих случаев описываемые функции могут выполняться или вручную, или с помощью персонального компьютера, или встроенных микропроцессоров.
Источники информации:
1. Кузнецов С.П. Динамический хаос. - М.: Физматлит, 2001, - 295 с.
2. Анищенко B.C., Вадивасова Т.Е. Лекции по нелинейной динамике. - М. Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2011, - 516 с.
3. Чумак О.В. Энтропии и фракталы в анализе данных. - М. - Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2011, - 164 с.
4. Grassberger P., Procaccia I. Measuring the strangeness of strange attractors // Physica9D, 1983, p. 189-208.
5. Takens F. Detecting strange attractors in turbulence // Dynamical Systems and Turbulence. Under edit. D.A. Rang and L.S. Young. Warwick 1980, Lecture Notes in Mathematics, 898, Springer, Berlin, 1981, p. 366-381.
6. Takens F. On the numerical determination of the dimenthion of an attractor // Dynamical systems and bifurcations (Eds. B.L.J.Braaksma, H.W. Broer and F.Takens). Lect.Notes in Math. 1125, Springer, Heidelberg, 1985, p. 99-106.