СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАПАСА УСТОЙЧИВОСТИ ВХОДНОГО УСТРОЙСТВА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD OF DETERMINATION OF GAS TURBINE INTAKE AREA STABILITY MARGIN

Изобретение относится к авиации, а именно к входным устройствам силовых установок летательных аппаратов.
Входное устройство газотурбинного двигателя (ГТД) - часть газотурбинной силовой установки, включающая воздухозаборник, средства его регулирования, защитные устройства. Воздухозаборник - устройство для забора атмосферного воздуха и подвода его к ГТД [1. Государственный стандарт Союза СССР Двигатели газотурбинные авиационные. Термины и определения. Гост 23851-79. Москва, 1980, с.6].
Обеспечение устойчивой работы является важнейшим требованием, предъявляемому к входному устройству, так как связано с условиями надежной работы силовой установки и безопасности полетов. Поэтому в эксплуатации недопустима работа на режимах, где рабочая точка на характеристике входного устройства располагается вблизи границы устойчивости, т.е. где запас устойчивости мал и течение воздуха становится неустойчивым. Неустойчивость течения воздуха во входном устройстве, проявляющаяся в виде низкочастотных колебаний с большой амплитудой, получила название «помпаж воздухозаборника».
Известен способ получения характеристик воздухозаборника входного устройства расчетным путем. Он заключается в составлении для конкретной конструкции входного устройства системы дифференциальных уравнений Навье-Стокса, которые описывают нестационарное, пространственное движение вязкого газа, и решении этой системы уравнений. Из-за сложности протекающих процессов точность расчетных характеристик недостаточно высока, особенно в части определения границы устойчивых режимов, где для определения запасов устойчивости требуется описание процессов отрыва пограничного слоя при взаимодействии его со скачками уплотнения, что является его недостатком. [2. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1969, стр.307-322, 432-433].
у.вх
вх
Известен также способ определения запаса устойчивости входного устройства по расходу воздуха. Запас устойчивости ∆К по расходу воздуха, как описано в [3. Нечаев Ю.Н., Федоров P.M. Теория авиационных газотурбинных двигателей. Часть 1. - М.: Машиностроение, 1977, стр.292-293] определяется при каждом числе М полета по соотношению значений коэффициента сохранения полного давления σ и коэффициента расхода φ в рабочей точке и на границе устойчивости
,
где индексом «г» обозначены параметры на границе устойчивых режимов работы входного устройства.
вх
Здесь коэффициент сохранения полного давления σ оценивает газодинамические потери входного устройства и представляет собой отношение полного давления за входным устройством (на входе в двигатель)
к полному давлению воздуха набегающего потока
, т.е.
.
в
Коэффициент расхода определяется как отношение действительного расхода воздуха через входное устройство G к максимально возможному Gв.max при каждом заданном числе М полета
Недостатком этого способа является необходимость измерения расхода воздуха, что в условиях летных испытаний вызывает значительные трудности.
прог
пр
Известны способы оценки запаса устойчивой работы ∆L входного устройства по значению хода органа механизации (например, панели, створки, конуса) воздухозаборника [3. Стр. 302-303]. В этих способах учитывается, что регулирование сверхзвуковых воздухозаборников осуществляется автоматической системой по зависимостям (программам), в которых величина перемещения органа механизации L, называемая программным положением, является функцией приведенной частоты вращения ротора двигателя N. На фиг.1 показана типичная для сверхзвуковых воздухозаборников программа регулирования (так называется средняя линия на фиг.1). Здесь же показано расположение границ «зуда» и помпажа воздухозаборника. «Зуд» входного устройства - высокочастотные колебания воздушного потока в воздухозаборнике от нескольких десятков до нескольких сотен герц и с амплитудой, много меньшей, чем при помпажных колебаниях. Зуд менее опасен, чем помпаж, и может допускаться в эксплуатации на некоторых режимах в целях повышения запаса устойчивости воздухозаборника по помпажу.
прог
помп
Как видно, отклонение органа механизации от программы регулирования может приводить к изменению располагаемого запаса устойчивой работы воздухозаборника и приближать к границе помпажа. Программа регулирования предварительно выбирается на основе испытаний модели воздухозаборника в аэродинамических трубах. Одной из задач летных испытаниях силовой установки является определение границ помпажа с целью определения оптимальных положений регулируемых органов механизации воздухозаборника и уточнения программ регулирования с достаточными запасами устойчивости. При таком подходе запас устойчивости ∆L, определяют как удаление задаваемого программой (расчетного программного) положения органа механизации L от положения органа механизации на границе помпажа L:
прог
помп
∆L=L-L.
пр
прог
пр
факт помп
пр
Наиболее близким к изобретению является способ оценки запаса устойчивой работы входного устройства для определения границы помпажа воздухозаборника, учитывающий ход органа механизации и описанный в [4. Летные испытания специальных устройств и систем силовых установок самолетов и вертолетов. Под ред. Г.П. Долголенко, М.: Машиностроение, 1984, стр.13-15]. В этом способе при постоянном значении приведенной частоты вращения ротора двигателя N определяют (вычисляют) значение программного положения органа механизации воздухозаборника, с помощью ручного управления перемещают орган механизации воздухозаборника до возникновения характерных шумов и тряски конструкции, т.е. до помпажа воздухозаборника, и в процессе перемещения с некоторым интервалом времени регистрируют фактическое значение положения органа механизации. При этом панели воздухозаборника и конус перемещаются в направлении, соответствующем увеличению площади горла воздухозаборника, створка перепуска - в сторону ее закрытия, управляемая обечайка - в сторону уменьшения угла поднутрения. При достижении помпажа отмечают фактическое положение органа механизации воздухозаборника в этот момент. Запас устойчивости ∆L вычисляют как разницу между программным значением положения панели L при данном N и значением фактического положения панели L, при котором при данном N достигнут помпаж воздухозаборника:
прог
факт помп
∆L=L-L.
пр
Недостатком этого способа является необходимость доведения режима работы воздухозаборника до помпажа многократно, для каждого необходимого значения приведенной частоты вращения ротора двигателя N, что может привести к потере управляемости двигателя, деформации и разрушению элементов канала воздухозаборника.
Задачей изобретения является определение запаса устойчивой работы входного устройства путем определения границы помпажа воздухозаборника без нарушения устойчивой работы входного устройства.
Поставленная задача решается с помощью способа определения запаса устойчивости входного устройства, заключающегося в том, что при постоянной частоте вращения ротора двигателя определяют значение программного положения органа механизации воздухозаборника, перемещают орган механизации, в процессе его перемещения регистрируют значения его фактического положения, запас устойчивости определяют как разницу между значениями программного и фактического положения органа механизации, отличающегося тем, что в процессе перемещения органа механизации измеряют пульсации давления с помощью датчиков, установленных за входным устройством на входе в двигатель, результаты измерений регистрируют и по ним вычисляют вейвлет-коэффициенты различного уровня и среднеквадратичные отклонения вычисленных вейвлет-коэффициентов, сравнивая получаемые значения среднеквадратичных отклонений с полученными во время предварительных испытаний их критическими значениями, при достижении среднеквадратичными отклонениями этих критических значений определяют критическое значение фактического положения органа механизации и вычисляют запас устойчивости как разницу между значением программного положения и критическим значением фактического положения органа механизации.
Упомянутые действия повторяют для разных значений частоты вращения ротора двигателя.
В ходе предварительных испытаний для определения критических значений среднеквадратичных отклонений вейвлет-коэффициентов режим работы входного устройства доводят до помпажа, измеряя пульсации давления с помощью упомянутых датчиков, результаты измерений регистрируют и по ним вычисляют вейвлет-коэффициенты различного уровня и среднеквадратичные отклонения вычисленных вейвлет-коэффициентов, по наступлении помпажа определяют критические значения среднеквадратичных отклонений вейвлет-коэффициентов как максимальные значения среднеквадратичных отклонений в период, предшествующий помпажу.
Техническим результатом является определение границы помпажа и запаса устойчивой работы входного устройства посредством обнаружения предвестника помпажа, которым является достижение среднеквадратичными отклонениями (СКО) некоторых вейвлет-коэффициентов критических значений. Это позволяет не доводить входное устройство двигателя непосредственно до помпажа, и потому уменьшить возможные разрушения и, следовательно, экономические потери и сократить время проведения летных испытаний.
пр.
прог
Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 в системе координат N-L показано расположение области устойчивой работы входного устройства воздухозаборника и ее границ; на фиг.2 представлен график зависимости пульсаций давления от времени вплоть до помпажа воздухозаборника, а также зависимость СКО пульсаций давления; на фиг.3 показаны зависимости от времени значений программного и фактического положений органа механизации (панели воздухозаборника); на фиг.4 представлен график среднеквадратичных отклонений одного из вейвлет-коэффициентов пятого уровня С5, возрастающего при приближении к границе устойчивой работы до значения Skp (значение Skp - предвестник помпажа воздухозаборника); на фиг.5 и 6 приведен пример определения вейвлет-коэффициентов при интервале, равном 4096 значений и шаге, равном 1024 значений, а именно: на фиг.5 показана зарегистрированная зависимость пульсаций давления, на фиг.6 - вычисленные СКО вейвлет-коэффициента пятого уровня (С5). На фиг.2-6 при частоте опроса 4096 Гц одно деление на оси абсцисс соответствует ≈4,88 секундам.
n
n
Общее пояснение: Теория вейвлетов [Смоленцев Н.К. «Основы теории вейвлетов. Вейвлеты в MATLAB» издание третье, переработанное и дополненное, издательство ДМК, Москва, 2008.] является альтернативой классическому анализу Фурье. В то же время она широко использует технику рядов Фурье и преобразования Фурье. Теория вейвлетов представляет собой более гибкую технику обработки сигналов и выявляет локальные особенности исходного сигнала. Она отличается от разложения в ряд Фурье выбором базисных функций: вместо cos(nx) или sin(nx) используется набор базисных функций, называемых вейвлетами. При разложении функции f(x) в ряд величина каждого коэффициента a, b, при Фурье анализе, показывает, насколько значителен вклад гармоники в формирование сигнала f(x). При вейвлет-обработке исходный сигнал разлагается на низкочастотную и высокочастотную составляющую со своими коэффициентами. Это разложение 1-го уровня. Далее аналогичную процедуру применяют к полученным коэффициентам и получают коэффициенты 2-го уровня и. т.д., а затем обрабатывают и анализируют полученные коэффициенты. В результате исследований в ряде областей техники было обнаружено, что те или иные вейвлет-коэффициенты имеют диагностическую значимость в некоторых ситуациях.
пр
Авторами предлагаемого способа экспериментально было установлено, что перед возникновением помпажа входного устройства силовой установки увеличиваются среднеквадратичные отклонения (СКО) некоторых вейвлет-коэффициентов пульсаций давления воздуха и достигают определенного максимального критического значения (см. фиг.4, где на графике представлено поведение СКО коэффициента пятого уровня С5). При этом обнаружено, что критические значения СКО практически не зависят от частоты вращения ротора двигателя N.
Предлагаемый способ заключается в следующем.
Предварительно дифференциальные датчики измерения пульсаций полного давления, например, типа ДМИ-Т (датчик малогабаритный индуктивный теплостойкий), устанавливают за входным устройством на входе в двигатель. В таких датчиках по одному из каналов давление подается в измерительную полость, а в другую полость датчика подается то же давление, сглаженное с помощью демпфера и ресивера. Таким образом, на мембрану датчика действует пульсационная составляющая давления.
кр
Затем проводят предварительные испытания для выявления того, СКО вейвлет-коэффициентов какого уровня повышаются перед помпажом (это зависит от конструкции входного устройства, т.к. уровень вейвлет-коэффициента связан с характеристическими частотами конкретного устройства), и для определения критических значений среднеквадратичных отклонений S проводят следующим образом.
Однократно доводят режим работы входного устройства до помпажа, например, при помощи ручного управления органами механизации воздухозаборника. При этом с помощью описанных датчиков измеряют пульсации давления за входным устройством на входе в двигатель и регистрируют результаты измерений каким-либо накопителем. По результатам измерений вычисляют вейвлет-коэффициенты различного уровня и их СКО, затем находят те вейвлет-коэффициенты, СКО которых повышаются непосредственно перед помпажом. После наступления помпажа критические значения среднеквадратичных отклонений вейвлет-коэффициентов определяют как максимальные значения среднеквадратичных отклонений в период, предшествующий помпажу.
После того, как определено, СКО каких именно вейвлет-коэффициентов имеют диагностическое значение, и каковы их критические значения, проводят испытания непосредственно для определения границы помпажа и запаса устойчивости.
пр
При постоянных значениях приведенной частоты вращения ротора двигателя N выполняют следующие действия.
прог
пр
1. Определяют значение L программного положения органа механизации воздухозаборника для этой частоты N.
факт
2. Перемещают (например, с помощью ручного управления) орган механизации воздухозаборника в направлении, в котором следует ожидать появления помпажа, и через определенные интервалы времени определяют и регистрируют каким-либо накопителем значения L его фактического положения. В эти же моменты времени в процессе перемещения органа механизации с помощью датчиков, установленных за входным устройством на входе в двигатель, измеряют значения пульсаций полного давления воздуха за воздухозаборником (желательно с частотой не менее 4096 Гц) и так же регистрируют результаты измерений.
3. Непосредственно в процессе испытаний по измеренным и зарегистрированным значениям пульсаций давления пошагово с назначенным интервалом времени вычисляют те вейвлет-коэффициенты различного уровня, которые, как было определено во время предварительных испытаний, имеют диагностическое значение.
Для этого назначают один из интервалов обработки измеренных исходных данных, например, размером: 1024; 2048; 4096 значений, что при частоте регистрации 4096 Гц соответствует: 0,25; 0,5; 1,0 секундам. Затем назначают один из шагов обработки измеренных исходных данных размером: 64; 128; 256; 512; 1024; 2048; 4096 значений (см. пример на фиг.5, 6 для интервала в 4096 значений).
i
4. В конце каждого интервала вычисляют среднеквадратичные отклонения (СКО) полученных вейвлет-коэффициентов S.
кр
факт.кр.
5. В момент достижения среднеквадратическим отклонением (СКО) S, критического значения S, известного из предварительных испытаний, определяют критическое значение фактического положения органа механизации воздухозаборника L, и перемещают орган механизации в область устойчивой работы.
прог
факт.кр.
кр
6. Определяют запас устойчивой работы входного устройства ∆L, как разницу между программным значением L положения органа механизации и критическим значением фактического положения L органа механизации (которое было достигнуто в момент достижения СКО критического значения S):.
прог
факт.кр.
∆L=L-L
Отметим, что ни значения давления воздуха, ни его СКО не предвещают в этот момент приближение помпажа воздухозаборника (см. фиг.2, 5).
факт.кр.
Таким образом, определение предложенным способом критического значения фактического положения L органа механизации и запаса устойчивости ∆L позволяет сделать это без многократного доведения входного устройства газотурбинного двигателя до помпажа.
Для того, чтобы определить границу помпажа и запас устойчивости во всем возможном диапазоне рабочих приведенных частот вращения ротора двигателя, описанные выше в п.п.1-6 действия повторяют для разных значений частоты вращения ротора двигателя этого диапазона.
Для реализации вычислительной части предлагаемого способа разработана серия программ в среде математической системы «MATLAB».