УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ НЕИСПРАВНОСТЕЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КЛАПАНАМИ ПЕРЕПУСКА ВОЗДУХА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к авиационным двигателям, а именно, к устройствам для контроля неисправностей системы управления клапанами перепуска воздуха газотурбинного двигателя (ГТД).
Известно, что для предотвращения неустойчивых режимов работы компрессора газотурбинного двигателя (помпажа) и повышения КПД компрессора используются различные способы регулирования компрессоров. Одним из основных способов регулирования компрессора является перепуск воздуха из проточной части компрессора в пространство с пониженным давлением, выполняемый с целью сброса избыточного давления на промежуточных ступенях компрессора двигателя и облегчения прохождения воздуха через компрессор. Система управления клапанами перепуска воздуха служит для автоматического перепуска воздуха, выполняемого по программе регулирования компрессора в зависимости от режима работы двигателя и сигналов системы защиты от возникновения помпажа. Система управления клапанами перепуска воздуха включает в себя приемники полного давления, агрегаты управления клапанами перепуска воздуха, клапана перепуска воздуха (КВП), сигнализаторы положения клапанов. Поскольку система управления клапанами перепуска оказывает непосредственное влияние на точность выполнения программ регулирования компрессора и безопасность эксплуатации газотурбинного двигателя во всем диапазоне режимов его работы, необходимо выполнять непрерывный контроль и диагностику технического состояния системы. Контроль и диагностика осуществляются
для предотвращения возможных отказов системы, а также прогнозирования технического состояния системы для устранения возникающих неисправностей в превентивном порядке.
Известно устройство для контроля неисправностей системы управления клапанами перепуска воздуха ГТД, выполненное в виде сигнализатора, связанного с электрической системой двигателя и предназначенного для замыкания электрической цепи при открытом положении клапанов перепуска воздуха и размыкания при закрытом положении клапанов. При замыкании электрической цепи сигнализатор обеспечивает подачу сигнала в электрическую систему двигателя и воздушного судна (Инструкция по эксплуатации двигателей НК-8-4, выпущенная специализированным предприятием, 1976 г.). Недостатком известного устройства является низкая точность, поскольку сигнализатор позволяет контролировать только положение регулировочных элементов системы управления клапанами перепуска воздуха, а не действительное положение самих клапанов перепуска. Кроме того, сигнализатор не обеспечивает возможность определения фактов несвоевременного срабатывания клапанов, связанных с возникновением и развитием неисправностей в системе управления клапанами перепуска воздуха.
Известно устройство для контроля неисправностей системы управления клапанами перепуска воздуха ГТД, содержащее связанные между собой системы регистрации параметров и сигнализации, блок вычисления логических функций, блок индикации и подключенные к системе сигнализации датчики состояния объекта контроля (патент РФ №2474867 кл.G06F 11/00, 2011 г.). Известное устройство выполняет функции бортового контроля состояния авиационной техники, записи контрольных параметров на бортовой регистратор воздушного судна и информирования экипажа о возникающих неисправностях с учетом степени их опасности. Основные функции системы выполняются в блоках вычисления логических функций, элементами которых являются аналоговые интегральные микросхемы. Применение в конструкции специализированных аналоговых интегральных микросхем позволяет увеличить число возможных вариантов локализации возникающих неисправностей и детализировать требуемые действия экипажа по их парированию. Недостатком известного устройства является низкая точность, связанная с применением аналоговых интегральных микросхем, работа которых сопряжена с ошибками, источником которых являются технологический разброс параметров элементов, температурный и временной дрейф параметров, наводки от электрооборудования двигателя и воздушного судна.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемой полезной модели является устройство для контроля неисправностей ГТД, содержащее бортовой вычислитель, выполненный в виде процессора с подключенным к одному из его входов модулем опасных уставок, блок мультиплексирования, входы которого подключены к выходам датчиков контролируемого параметра и к шине данных от бортового регистратора, а выход - к параметрическому входу бортового вычислителя, и блок памяти, соединенный двунаправленной связью с процессором (патент РФ №33168, кл. F02C 9/26, 2003 г.). Известное устройство выполняет задачи автоматического контроля предельных значений параметров, регистрируемых на двигателе в процессе его работы на различных режимах. Особенностью устройства является применение в его конструкции бортового вычислителя, построенного на базе цифрового процессора, что существенно повышает эффективность бортового контроля двигателя за счет автоматизации процессов сбора и обработки параметров двигателя в широких диапазонах их изменения, выполняемых в режиме реального времени на работающем двигателе. Использование процессора позволяет снизить ошибки преобразования параметров, повысить точность работы системы и обеспечить возможность ее перепрограммирования. Недостатком известного технического решения является отсутствие возможностей для контроля и прогнозирования технического состояния системы управления клапанами перепуска воздуха из компрессора.
В основу предлагаемого технического решения поставлена задача расширения технических возможностей устройства.
Технический результат, достигаемый при осуществлении полезной модели, заключается в повышении безопасности двигателя.
Технический результат достигается за счет того, что устройство для контроля неисправностей системы управления клапанами перепуска воздуха ГТД содержит бортовой вычислитель, выполненный в виде процессора с подключенным к одному из его входов модулем опасных уставок, блок мультиплексирования, входы которого подключены к выходам датчиков контролируемого параметра и к шине данных от бортового регистратора, а выход - к параметрическому входу бортового вычислителя, и блок памяти, соединенный двунаправленной связью с процессором. Согласно предложенному техническому решению датчики контролируемых параметров выполнены в виде сигнализаторов положения клапанов перепуска воздуха, блок мультиплексирования содержит модуль защиты от синфазных и противофазных напряжений и формирователь сигналов, модуль опасных уставок содержит модули прогнозирования и контроля, блок памяти
содержит ячейки постоянной памяти, связанные с блоком прогнозирования и контроля, а устройство снабжено модулем вывода и конфигурирования данных, вход которого связан с выходом модуля опасных уставок, а один из его выходов - с ячейками постоянной памяти, и узлом диодных сигнальных индикаторов, связанных с процессором.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной задачи с достижением заявленного технического результата, так как:
- выполнение датчиков контролируемых параметров в виде сигнализаторов положения клапанов перепуска воздуха, наличие в блоке мультиплексирования модуля защиты от синфазных и противофазных напряжений и формирователя сигналов обеспечивает не только контроль фактов срабатывания клапанов, но и контроль своевременности их срабатывания в соответствии с текущим режимом работы двигателя, который определяется по режимному параметру, получаемому от бортового регистратора;
- выполнение модуля опасных уставок, включающего модули прогнозирования и контроля, блока памяти, включающего ячейки постоянной памяти, связанные с модулем прогнозирования и контроля, обеспечивает прогнозирование технического состояния системы управления клапанами перепуска воздуха, по накапливаемой информации о задержках по времени срабатывания клапанов перепуска воздуха;
- снабжение устройства модулем вывода и конфигурирования данных, вход которого связан с выходом модуля опасных уставок, а один из его выходов -с ячейками постоянной памяти, снабжение устройства узлом диодных сигнальных индикаторов, связанных с процессором, обеспечивает выдачу информации во взаимодействующие системы двигателя и воздушного судна в виде сообщений о техническом состоянии системы управления клапанами перепуска воздуха.
Настоящая полезная модель поясняется следующим его описанием со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг. 1 и фиг. 2, где:
на фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства;
на фиг. 2 изображена блок-схема алгоритма работы предлагаемого устройства.
Устройство для контроля неисправностей системы управления клапанами перепуска воздуха ГТД содержит бортовой вычислитель 1, выполненный в виде процессора 2 и модуля 3 опасных уставок, блок 4 мультиплексирования, датчики контролируемых параметров, и блок 5 памяти с ячейками 6 оперативной памяти для временного хранения данных. Датчики
контролируемых параметров выполнены в виде сигнализаторов 7 положения клапанов перепуска воздуха, блок 4 мультиплексирования содержит разъем 8 для подключения каналов входных данных, модуль 9 защиты от синфазных и противофазных напряжений и формирователь 10 сигналов. Модуль 3 опасных уставок содержит модуль 11 контроля и модуль 12 прогнозирования, а блок 5 памяти содержит ячейки 13 постоянной памяти для хранения основных переменных. Устройство снабжено модулем 14 вывода и конфигурации данных, содержащее разъем 15 для ввода и вывода данных и двусторонний порт 16 связи USB, и узлом 17 диодных сигнальных индикаторов. Связь функциональных блоков и модулей выполнена следующим образом. Входы «к1» и «к2» разъема 8 через шину 18 подключены к датчикам контролируемых параметров данных двигателя и воздушного судна: к датчику измерения общей степени  повышения давления в двигателе и датчику времени (Т, сек) воздушного судна, а вход «к3» разъема 8 подключен к выходу сигнализатора 7 положения клапанов. Один выход разъема 8 подключен к входу модуля 9 защиты от синфазных и противофазных напряжений, и через выход последнего к входу формирователя 10 сигналов, а второй выход разъема 8 подключен непосредственно к входу формирователя 10 сигналов. Выход блока 4 мультиплексирования входных данных через соответствующий выход формирователя 10 сигналов подключен к входу процессора 2, соединенного двунаправленной связью с блоком 5 памяти. Выходы процессора 2 одновременно связаны со входом модуля 3 опасных уставок и со входом узла 17 диодных сигнальных индикаторов. Выход модуля 3 опасных уставок подключен к входам разъема 15 модуля 14 вывода и конфигурации, один выход которого соединен напрямую с ячейками 13 постоянной памяти, а другой выход двунаправленной связью подключен к порту 16 связи USB. Кроме этого, ячейки 13 постоянной памяти имеют отдельную двунаправленную связь с модулем 12 прогнозирования, вход которого связан с выходом модуля 11 контроля, а выход соединен отдельной связью с процессором 2.
Устройство работает следующим образом. При неработающем авиадвигателе в блок 5 памяти вводится выражение:
для фильтрации входных данных, которая необходима для исключения случайных отклонений параметров, вызываемых сбоями записывающей аппаратуры и погрешностью измерения, где:
ср
Р - фильтруемый параметр; i - индекс, соответствующий секунде измерения параметра; Р - среднее значение и σ - среднеквадратическое отклонение параметра. Фильтрация данных осуществляется во временном окне, включающем в себя N измерений параметра.
В блок 5 памяти вводятся:
- выражение для установления момента времени срабатывания клапанов перепуска воздуха (КВП) при их закрытии
- выражение для установления момента времени срабатывания клапанов при их открытии
i-1
где индекс - значение параметра на предыдущей секунде;
,  - заданные в руководстве по технической эксплуатации на авиадвигатель значения общей степени повышения давления при открытии и закрытии клапанов перепуска воздуха, соответственно. В блок 5 памяти вводится выражение для вычисления комплексного нормированного диагностического признака, который применяется при формировании заключения о техническом состоянии системы управления клапанами:
где частные нормированные диагностические признаки D1, D2, D3 вычисляются по формулам:
i
i
где , ,  - границы доверительного интервала на значения признаков D1, D2 и D3, соответственно (устанавливаются равными , , ; ненормированные диагностические признаки ,  - среднее значение отклонения измеренной степени сжатия в моменты времени закрытия (S1) и открытия (S2) клапанов от заданного в Руководстве по технической эксплуатации (РТЭ) значения, вычисляются по выражениям, вводимым в память микропроцессора:
где i - порядковый номер измерения во временном окне.
Для вычисления ненормированного диагностического признака  - среднее значение разницы степеней сжатия, измеренных в моменты открытия и закрытия клапанов перепуска воздуха, в память процессора 2 вводится выражение:
В модуль 11 контроля вводится условие (10.1) для формирования сообщения о неисправности системы управления клапанами перепуска воздуха:
и текстовое описание к данному условию - «неисправность системы управления клапанами перепуска воздуха».
Для вывода дополнительной информации об источнике неисправности в модуль 11 контроля вводятся условия (10.2), (10.3), (10.4),
а также текстовое описание к каждому из условий:
- к условию (10.2), «неисправность при открытии клапанов перепуска воздуха»;
- к условию (10.3), «неисправность при закрытии клапанов перепуска воздуха»;
- к условию (10.4), «разрегулировка системы управления».
Для прогнозирования технического состояния системы управления клапанами перепуска воздуха в блок 5 памяти вводятся выражения, используемые для вычисления коэффициентов линейной зависимости по накопленным значениям диагностических признаков:
i
где k количество последних вычисленных процессором 2 значений диагностического признака, используемых для расчета коэффициентов (по умолчанию k=10); i - номер значения диагностического признака, в соответствии с порядком их следования по времени вычисления; y - соответствующее номеру i значение признака.
Для вычисления секунды - I, в которой значение диагностического признака будет равно или больше 1 в процессоре 2 используется выражение:
В модуль 12 прогнозирования вводится условие для формирования сообщения о возможности неисправности системы управления клапанами перепуска воздуха в следующем полете:
где DE - средняя длительность полета (по умолчанию 10000 сек), K - область прогноза (по умолчанию 10000 сек).
В модуль 12 прогнозирования загружаются текстовые описания для различных вариаций выполнения условия (14):
- условие выполняется по признаку , «возможная неисправность при открытии клапанов перепуска воздуха в следующем полете»;
- условие выполняется по признаку , «возможная неисправность при закрытии клапанов перепуска воздуха в следующем полете»;
- условие выполняется по признаку  «возможная разрегулировка системы управления в следующем полете».
Для хранения значений основных переменных, используемых для корректной работы устройства, в ячейки 13 постоянной памяти вводятся значения следующих переменных: N, , , DE, K, k.
При работающем двигателе от бортового регистратора по шине 18 данных воздушного судна сигналы, несущие значения контролируемых параметров авиадвигателя, поступают на входы «к1», «к2» разъема 8. От шины 18 данных принимается сигнал текущих значений параметра общей степени  повышения давления в компрессоре и сигнал текущего времени (Т, сек) воздушного судна. Далее сигнал снимается с выхода разъема 8 и
передается на вход модуля 9 защиты от синфазных и противофазных напряжений. Данный модуль обеспечивает защиту электрических цепей устройства от повышенного напряжения на входе, а также защищает данные, передаваемые по шине данных, от возможного влияния со стороны устройства. Далее сигнал поступает на формирователь 10 сигнала, который обеспечивает выдачу сигнала с логическими уровнями 0,05В и 4,9В на вход процессора 2. Входной сигнал, содержащий значение дискретного параметра открытого состояния клапанов перепуска воздуха, формируемый сигнализатором 7 положения клапанов авиадвигателя, подается на контакт «к3» разъема 8 и далее поступает напрямую на формирователь 10 сигнала, который обеспечивает выдачу сигнала с логическими уровнями 0,05В и 4,9В входных данных процессора 2. На контакты «к4» и «к5» разъема 8 могут подключаться дополнительные датчики положения клапанов. Процессор 2 обеспечивает работу диодных сигнальных индикаторов «л1» (наличия питания), а также индикаторов «л2» (основной), «л3» и «л4» (дополнительно подключаемые), составляющих узел 17 сигнальных индикаторов.
В качестве процессора 2 может использоваться AT89S53 с широко известной системой команд и архитектурой процессора MSC51. Выбор данного процессора определен его доступностью, наличием множества совместимых аналогов различных производителей и наличием доступной среды для разработки программного обеспечения, в том числе и отечественного производства. В качестве замены можно использовать АТ89С51, АТ89С52, AT89S52.
Поступивший в процессор 2 сигнал передается в ячейки 6 оперативной памяти, входящие в состав блока 5 памяти. Количество значений входных параметров, сохраняемых в оперативной памяти, равно значению переменной N, записанному в ячейках 13 постоянной памяти. После сохранения фрагмента сигнала в оперативной памяти начинается цикл работы процессора 2.
Сначала процессор 2 считывает ячейки 6 оперативной памяти и выполняет фильтрацию сохраненного в них фрагмента сигнала, в соответствии с выражением (1). Для всех неотфильтрованных значений параметров проверяются условия (2) и (3). Значения, удовлетворяющие условиям, используются для вычисления комплексного нормированного диагностического признака в соответствии с выражением (4). При этом необходимые для вычислений значения переменных процессор 2 запрашивает по двунаправленной информационной связи из ячеек 13 постоянной памяти. Промежуточные результаты вычислений ненормированных диагностических признаков по выражениям (8), (9), (10)
передаются для сохранения в ячейки 13 постоянной памяти. Значения комплексного нормированного диагностического признака, а также значения составляющих его частных нормированных признаков, вычисленные по выражениям (5), (6), (7), передаются с выхода процессора 2 на вход модуля 3 опасных уставок и в модуль 11 контроля.
Далее процессор 2 по двунаправленной информационной связи запрашивает и получает из ячеек 13 постоянной памяти значения ненормированных диагностических признаков. Количество получаемых в ответ на запрос значений зависит от значения переменной - k, хранящейся также в ячейках 13 постоянной памяти. Затем процессор 2 производит вычисления линейных коэффициентов аппроксимации по выражениям (11) и (12), а также порядковый номер секунды по выражению (13). Вычисленный порядковый номер процессор 2 передает на вход модуля 3 опасных уставок и в модуль 12 прогнозирования.
В модуле 11 контроля по выражениям (10.1-10.4) обеспечивается сравнение значений комплексного нормированного диагностического признака и значений составляющих его частных нормированных диагностических признаков с предельными значениями. Модуль 11 контроля формирует диагностические сообщения, соответствующие текстовому описанию для выражений (10.1-10.4), которые передает через выход модуля 3 опасных уставок на вход разъема 15 вывода данных. После выполнения операций модуль 11 контроля по однонаправленной информационной связи передает запрос в модуль 12 прогнозирования.
После получения порядкового номера секунды от процессора 2 и запроса от модуля 11 контроля модуль 12 прогнозирования, входящий в состав модуля 3 опасных уставок, обеспечивает проверку условия (14). При этом необходимые значения переменных модуль 12 прогнозирования запрашивает и получает из ячеек 13 постоянной памяти. В зависимости от результатов проверки по условию (14) модуль 12 прогнозирования формирует сообщение, текстовое описание которого предварительно было загружено в его память. Сообщения передаются на разъем 15 вывода данных. После выполнения операций модуль 12 прогнозирования передает запрос в процессор 2. Последний, получив запрос от модуля 12 прогнозирования, заканчивает цикл вычислений, после чего обращается к ячейкам 6 оперативной памяти и стирает значения параметров, соответствующие первой секунде сохраненного фрагмента входного сигнала. Оставшиеся в ячейках 6 значения фрагмента сигнала перемещаются синхронным сдвигом в сторону освободившихся ячеек, высвобождая, таким образом, место для сохранения следующей секунды сигнала, поступающего в режиме реального
времени. После заполнения ячеек 6 оперативной памяти цикл вычислений процессора 2 повторяется. Сообщения, поступающие от выхода модуля 3 опасных уставок на вход разъема 15 вывода данных, передаются далее на двунаправленный порт 16 USB, откуда могут быть считаны. Порт 16 USB служит также для подключения контрольно-поверочной аппаратуры, при помощи которой можно изменить значения переменных, сохраненные в ячейках 13 постоянной памяти. Для этого выход порта 16 USB связан с разъемом 15 вывода данных, а через него напрямую с ячейками 13 постоянной памяти.
Предлагаемая полезная модель обеспечивает повышение безопасности эксплуатации двигателя за счет контроля и формирования прогноза технического состояния системы управления клапанами перепуска воздуха на основании параметров работы двигателя на один и более полетов.