Прогнозирование вибросостояния авиадвигателей с позиций классификационных задач

2005 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА № 85

серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов

УДК 629.7.017

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВИБРОСОСТОЯНИЯ АВИАДВИГАТЕЛЕЙ С ПОЗИЦИЙ КЛАССИФИКАЦИОННЫХ ЗАДАЧ

О.Ф. МАШОШИН

Статья представлена доктором технических наук, профессором Пивоваровым В.А.

Рассматриваются вопросы прогнозирования состояний авиационных ГТД, элементы теории классификации. Приводятся результаты оценки диагностических моделей вибросостояний ГТД ПС - 90А на основе диагностического критерия, позволяющего предупреждать конкретный вид отказа.

Многокомпонентная диагностическая информация используется для оценки работоспособности авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), а также для прогнозирования их дальнейшего состояния [1,2] . Как известно, отказы узлов ГТД являются случайными событиями, т.е. их характер и момент появления не связаны однозначно с какими-либо контролируемыми внешними факторами, и их закономерности нуждаются в вероятностном рассмотрении. Состояние ГТД в некоторый момент времени I однозначно не определяется этим значением, а зависит от сочетания многочисленных обстоятельств, складывающихся как в процессе изготовления и ремонта авиадвигателя, так и в процессе его эксплуатации. Каждому моменту времени соответствует не одно, а целое множество возможных состояний, в одном из которых может находиться ГТД. Это множество представляет собой совокупность физических возможностей, из которых в действительности реализуется только одна.

Современная теория надежности различает в любой технической системе обычно два класса состояний: «система исправна», «система неисправна» и изучает распределение вероятностей этих состояний для различных узлов и агрегатов, а также условий, в которых они находятся.

Для каждого из этих двух классов состояний можно установить несколько градаций, т. е. разбить их на подклассы. Так, класс состояний неисправности можно подразделить на подклассы в зависимости от того, какой элемент объекта неисправен. В свою очередь, класс исправных состояний можно подразделить на подклассы, например, по времени, в течение которого можно гарантировать, что ГТД, находящийся в данном состоянии, будет исправным в течение Т часов с вероятностью Р(Т), (с упреждающим допуском).

Каждому подклассу состояний Ш (1=1,2,...,т) можно поставить в соответствие вероятность Р1 того, что состояние ГТД в рассматриваемый момент времени I будет принадлежать этому классу. Эти вероятности проявляются при многократном диагнозе ГТД и характеризуют частоту обнаружения при этом состоянии класса Ш .

Основу классификации составляют практические требования к диагнозу. Различия в состояниях, принадлежащих одному классу, не учитываются, и события, произошедшие в ГТД и не приведшие к переходу состояния из одного класса в другой, не регистрируются диагностической аппаратурой. Конкретизируем классификационные задачи на примере вибросостояний ГТД с позиций классификации.

Информация о вибросостоянии двигателя может поступать либо с преобразователей вибрации, либо с микрофонов [3].

Преобразователи вибраций устанавливаются на корпусах, в месте расположения опор ротора. На ГТД в настоящее время распространенной является установка вибропреобразователей в двух местах корпуса.. Наиболее распространенными на двигателях предыдущих поколений были индукционные вибропреобразователи, устанавливаемые на корпус ГТД. Однако, для совре-

менных двигателей используют пьезопреобразователи, обладающие не только малыми размерами и универсальностью в отношении мест установки, но и существенно большей полосой пропускания частот, что расширяет возможность вибродиагностики [4].

Вибрации описываются гармоническими колебаниями. На установившихся режимах работы двигателя вибрацию представляют в виде полигармонического (в частности, периодического) процесса с линейчатым спектром [3]:

n

x(t) = ^ A sin( W ).

i=1

Таким образом, неисправность узла ГТД, даже в самой начальной стадии, влияет на общий спектр вибраций, изменяя его частотные и мощностные характеристики.

Применение анализаторов спектра последовательного и параллельного действий, способствующих дешифровке вибрационного сигнала, должно войти в практику обнаружения причин неисправностей узлов авиадвигателей.

Для осуществления диагностики и контроля дефектов на ранней стадии их развития целесообразно использовать метод следящего спектрального анализа, который заключается в переходе от диагностирования по амплитуде виброскорости к диагностированию по отношению изменения виброскорости к частоте вращения ротора. Данный метод, основанный на приведенной зависимости, позволяет выделять из общего спектра вибраций двигателя спектр конкретного вида вибрации, связанного с тем или иным видом отказа.

Такой анализ возможно проводить при использовании специальной аппаратуры, которая способна осуществлять контроль и отслеживать изменения амплитуд вибраций в узкой полосе частот, например на многофункциональном виброспектроанализаторе VM-3/X или «Кварц».

Суть следящего анализа состоит в том, что диагностический прибор настраивается на определенную частоту и из анализируемого сигнала выделяется полоса частот, равная полосе пропускания фильтра. На выходе анализатора получают параметры спектра в данном диапазоне частот.

Наличие на приборе выходов для подключения периферийных устройств, например ПЭВМ или Notebook, позволяет использовать полученную диагностическую информацию для обнаружения и анализа возникающих неисправностей, а также прогнозирования состояния ГТД методом компьютерного анализа непосредственно в полете.

Основываясь на данных теоретических и экспериментальных исследований, заметим, что каждый ротор многороторного ГТД генерирует вибрацию в определенном спектре. Суммарная вибрация образуется сложением вибрации от каждого ротора.

Частоты 1-х гармоник роторной вибрации находятся в пределах и равны 30-750 Гц в зависимости от типа двигателя и режима работы. Уровень роторной вибрации в штатных точках нормируют. За основной критерий интенсивности вибрации любого происхождения принимают амплитуду виброскорости независимо от частоты вращения роторов. Допускаемое значение амплитуды роторной вибрации в рабочем диапазоне частоты вращения для ГТД равно 30-50 мм/с (норма). С увеличением наработки нормы корректируются и дифференцируются (базовая и опорная вибрация). Так, для двигателя RB-211-22B фирмы «Роллс-Ройс» установлены нормы: после изготовления - 15 мм/с, после ремонта перед началом эксплуатации - 19 мм/с, в эксплуатации - 25 мм/с [6].

Для двигателя ПС-90А, по данным авиакомпании «Домодедовские авиалинии» целесообразно применить единый контрольный уровень вибраций в эксплуатации - 15-20 мм/с.

Для построения моделей развития дефектов по характеристикам вибрации воспользуемся методом экспертных оценок.

В качестве экспериментальной модели используем графики изменения уровня вибраций с наработкой для ГТД ПС-90А, полученные в а.к. «Домодедовские авиалинии». Диагностирование можно проводить по уровню вибраций, представляющему собой амплитудное значение

виброскорости, а иногда - вибросмещения или виброперегрузки. Для большинства исправных объектов контроля процесс изменения уровня вибраций на установившихся режимах работы является стационарным случайным процессом. При возникновении и развитии неисправности процесс изменения вибраций становится нестационарным, что и используется в целях диагностики.

На рис. 1. показан характерный график распределения уровня вибраций исправного ГТД ПС-90А по наработке.

40

35

30

25

20

15

10

5

0

л А* * * лА * Л 4 —

1—

100 200 300 400

наработка, ч

500 600

Рис. 1. Распределение вибраций исправного двигателя ПС-90А

Как видно из графика, значения вибраций в течение контролируемого периода (600 часов) варьируются в пределах от 9 мм/с до 15 мм/с. Однако, общая картина уровня вибраций исправного двигателя остается неизменной, что доказывает стационарность вибрационного процесса на исправном двигателе.

На следующем рисунке показан процесс изменения уровня вибрации с наработкой в начальной стадии изнашивания конструкции.

0

Рис. 2. Распределение вибраций в начальной стадии изнашивания

Представленный график (рис.2) дает понять, что в начальной стадии изнашивания конструкции уровень вибрации начинает постепенно возрастать, при этом большого разброса значений вибрации не наблюдается.

Рис. 3 отражает процесс интенсивного нарастания уровня вибраций вследствие возникновения и развития трещин на деталях ротора, в частности на рабочих лопатках компрессора.

Наработка, ч

Рис. 3. Распределение вибраций при появлении и развитии трещин

Рис. 4. отражает процесс скачкообразного изменения уровня вибраций, вызываемого обрывами рабочих лопаток компрессоров и турбин или разрушение подшипников опор.

На рис. 5. показан разброс уровня вибраций вследствие разбандажирования рабочих лопаток компрессора, значительных забоин на лопатках, деформации трактовых колец и т.п.

Рис. 5. Распределение вибраций при разбандажировании рабочих лопаток.

При попадании посторонних предметов в проточную часть двигателя картина вибраций будет соответствовать представленной на рис 6.

35 -30 -

¿2 25 '

1 20 -

> 15 -

10 -

5 -

0 -

0 100 200 300 400 500 600

наработка, ч

І

Чч

Рис. 6. Распределение вибраций при попадании посторонних предметов в ГВТ

Как следует из представленных моделей, отказ может возникнуть на любом участке эксплуатации. Однако до момента возникновения дефекта процесс распределения значений вибраций остается стационарным, что позволяет сделать вывод о том, что в большинстве случаев отказов (за исключением случая возрастания уровня вибраций вследствие износа конструкции) уровень вибраций, а также процесс его изменения, не зависят от наработки двигателя.

Каждый вид отказа имеет характерный график, отражающий процесс зарождения и развития отказа, благодаря чему представляется возможным смоделировать зависимость, которая позволит предварительно определять вид отказа в процессе эксплуатации по фактическому техническому состоянию.

Из представленных графиков очевидно, что в течение определенного времени (участка наработки) с момента зарождения отказа, значения суммарной амплитуды вибраций (суммарная виброскорость) возрастают по определенной закономерности. Однако, для выведения универсальной величины, которая будет в достаточной мере характеризовать вид отказа, не представляется возможным определить единый функционал, описывающий возникновение и формирование отказа. Поэтому, целесообразно, воспользовавшись результатами построенных графиков, определить функциональную зависимость на основе графической модели изменения уровня виброскорости при возникновении конкретного отказа или его признака.

В качестве контролируемого признака при моделировании зависимости целесообразно выбрать числовой критерий, присущий конкретному виду отказа, который будет меняться в зависимости от наработки.

Первоначально выведем зависимость для модели процесса увеличения вибрации вследствие начала износа конструкции (см.рис. 2.). Для этого определим значения виброскорости от наработки. Воспользовавшись методом математического анализа, определяем функциональную зависимость, которая принимает вид:

V у) = 8.58291и(?) -14.866.

Полученная логарифмическая зависимость является функциональным выражением аппроксимированной кривой, описывающей распределение виброскоростей в зависимости от наработки в конкретном случае.

Введем новый диагностический критерий ZV, характеризующий динамику изменения вибрации, и определим его числовые значения, присущие конкретным видам отказов. Для этого необходимо определить контрольные точки на всем участке эксплуатации двигателя, в которых будет замеряться значение виброскорости. Принимаем величину интервала между контрольными замерами уровня виброскорости равного 50 часам.

Определяем разницу значений между виброскоростями, расположенных через каждые 50 часов наработки.

V — V

7 I I—1

^ _ 50 ,

где г - номер контрольной точки.

Основываясь данными графика (см.рис. 2.) и представленных выше зависимостей, можно утверждать, что среднее значение диагностического критерия ZVср для рассматриваемого случая равно:

п

£

2У _ ^------_ 0,032,

1/ср п

где] - контрольный участок наработки между г и г-1 точками.

Дальнейшие исследования показывают, что для случая возникновения и развития трещин на деталях ротора, например, рабочих лопатках (см.рис. 3.) величина коэффициента 2Уср = 0,0114, а для случаев разрушения деталей ротора (рис. 4.), таких как обрыв лопатки или разрушение опор валов - 2Уср = 0,162.

Если двигатель исправен (см.рис. 1.), то прироста значений виброскоростей не будет, то есть динамика изменения параметра на любом участке наработки будет равна нулю, и, как следствие, 2Уср = 0.

Однако для случая попадания посторонних предметов в проточную часть двигателя и случая разбандажирования лопаток (рис. 5-6.) не представляется возможным определить значение критерия 2Уср на контрольном участке, которое будет достоверно характеризовать вид отказа. Поэтому целесообразно ввести дополнительный контроль на стадии определения разности виброскоростей в г и г-1 точках. Если в ходе контроля будет выявлено беспорядочное изменение

виброскоростей, не имеющее устойчивых тенденций ни к повышению, ни к понижению, то можно будет сделать заключение о разбандажировании рабочих лопаток или появлении крупных забоин на кромках рабочих лопаток. Если же отказ будет характеризовать однократный или многократный перепад значений виброскоростей от нормальных значений к повышенным и обратно к нормальным, то налицо будет попадание посторонних предметов в ГВТ двигателя. Очевидно, что процесс плавного увеличения уровня вибраций вследствие возникновения трещин на деталях ротора в последствии перейдет в процесс скачкообразного изменения уровня вибраций вследствие разрушения отдельных частей.

По результатам можно сделать следующие выводы. Приведенный подход позволяет:

- определять конкретный вид отказа с некоторым упреждением на ранней стадии развития;

- определять превалирующий на данный момент вид отказа, с учетом возможности возникновения нового отказа вместе с существующим.

- отслеживать тенденцию развития отказа и строить прогнозы по дальнейшему состоянию двигателя.

ЛИТЕРАТУРА

1. Павлов Б.В. Кибернетические методы технического диагноза. М.: Машгиз, 1964.

2. Пивоваров В.А., Машошин О.Ф. Применение теории статистической классификации к задачам диагностирования авиационной техники. М.: Научный вестник МГТУ ГА , серия: Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт АТ. Безопасность полетов, №4, 1999.

3. Давенпорт В.Б., Рут В. Л. Введение в теорию случайных сигналов и шумов. М.: Изд-во иностр. лит., 1960.

4. Дорошко С.М. Контроль и диагностирование технического состояния газотурбинных двигателей по вибрационным параметрам.- М.: Транспорт, 1984.-128с.

5. Карасев В. А., Максимов В.П., Сидоренко М.К. Вибрационная диагностика ГТД. М.: Машиностроение, 1978.

6. Машошин О.Ф., Бигус А.В. Прогнозирование технического состояния ГТД по выбегу ротора. М.: Научный вестник МГТУ ГА, серия: Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт АТ. Безопасность полетов, №66, 2003.

PROGNOSIS VIBRATION OF TURBO-JET ENGINES WITH POSITION TASKS CLASSIFICATION

Mashoshin O.F.

This article sees questions prognosis technical conditions of turbo-jet engines, elements thesis classification. Show results marks engines diagnostic models of vibration on basis new creative, which premise to trouble-shooting techniques aviation.

Сведения об авторе

Машошин Олег Фёдорович, 1966 г.р., окончил МИИГА (1989), кандидат технических наук, доцент кафедры технической эксплуатации ЛА и АД МГТУ ГА, автор более 40 научных работ, область научных интересов - эксплуатация и диагностика авиационной техники.