СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ВХОДНОГО УСТРОЙСТВА СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ САМОЛЕТА
METHOD OF DIAGNOSING INPUT DEVICE OF AIRCRAFT PROPULSION UNIT

Изобретение относится к авиации, точнее - к входным устройствам силовых установок летательных аппаратов.
Входное устройство современного сверхзвукового самолета представляет собой сложную систему, состоящую из воздухозаборника, каналов, подводящих воздух к двигателю, перепускных и противопомпажных створок, устройств слива пограничного слоя и сложной автоматики. От безотказной работы этой системы зависят как эффективность, так и надежность силовой установки в целом, что требует грамотной ее эксплуатации.
Нарушение устойчивой работы входного устройства, проявляющееся в виде колебаний давлений воздуха, получило название «помпаж» входного устройства. Частота колебаний давления воздуха в натурных воздухозаборниках составляет 2…3 Гц для тяжелых и 6…10 Гц для легких самолетов. Помпаж воздухозаборника наблюдается на сверхзвуковых и дозвуковых скоростях полета. Его интенсивность возрастает с увеличением числа М полета и может быть настолько значительной, что при этом нарушается устойчивая работа двигателя, возникают интенсивные вибрации конструкции. Помпаж воздухозаборника с большой амплитудой колебаний является недопустимым в эксплуатации режимом работы [1. Летные испытания специальных устройств и систем силовых установок самолетов и вертолетов. Под ред. Г.П. Долголенко, М.: Машиностроение, 1984, стр.13-14].
Помпаж воздухозаборника возникает практически мгновенно и важно умение его предупредить.
Известен параметрический способ диагностики входного устройства, в котором определяют фактические отклонения положения органов механизации воздухозаборника (конуса, панелей клина, створок перепуска и.т.д.) от нормируемого (программного) положения и по отклонениям судят о запасе устойчивой работы [1. Стр.54-55]. Его недостатком является невозможность учесть влияние всех факторов, которые проявляются в условиях полета при назначении программы регулирования и определения границ устойчивой работы воздухозаборника. Способ не определяет предвестника помпажа при взаимодействии нескольких неблагоприятных факторов (переменный режим, угол атаки, боковой ветер).
вх
n
Известен способ диагностики входного устройства, в котором определятся критерий, согласно которому у лобовых осесимметричных воздухозаборников помпаж наступает при значении приведенного расхода воздуха во входном сечении q(λ)=0,5…0,6 [2. Ремеев Н.Х. Аэродинамика воздухозаборников сверхзвуковых самолетов, г.Жуковский. Издательский отдел ЦАГИ, 2002, стр.44-46]. Однако этот критерий для других воздухозаборников не работает.
Известен способ диагностики входного устройства, заключающиеся в регистрации пульсаций полного давления с последующей обработкой их путем спектрального Фурье-анализа [1. стр.10-12]. Недостатком этого способа является выявление лишь частотных характеристик без одновременного фиксирования их временных свойств. Этот способ справедлив только для анализа стационарных процессов.
Прототипом изобретения является способ диагностики работы двигателя, описанный в патенте RU №2154813. В этом способе измеряют изменение величины физических параметров во времени, преобразуют полученные данные в вейвлет-коэффициенты, а затем анализируют дисперсию и высшие корреляционные матрицы этих коэффициентов в разных масштабах и по их изменению судят о неисправности в работе двигателя.
Недостаток способа заключается в том, что он применим к компрессорам, турбинам ГТД, периодически работающих устройствам, в которых структура воздушного (для компрессоров) и газового (для турбин) потоков существенно отличаются от структуры воздушного потока во входных устройствах, в которых пограничный слой при взаимодействии со скачками уплотнения существенно влияет на характер течения воздушного потока.
Задачей изобретения является повышение надежности диагностики входного устройства силовой установки как на дозвуковых, так и на сверхзвуковых режимах полета самолета и работы двигателя, а также анализ как стационарных, так и нестационарных случайных процессов изменения давления.
Задача решается с помощью способа диагностики входного устройства силовой установки, заключающегося в регистрации физических параметров с помощью датчиков, преобразовании полученных данных в вейвлет-коэффициенты и последующем анализе, отличающегося тем, что 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 (СКО) вычисленных вейвлет-коэффициентов, постоянно сравнивая получаемые значения среднеквадратичных отклонений с полученными во время предварительных летных испытаний их максимальными значениями, при достижении среднеквадратичными отклонениями этих максимальных значений делают вывод о приближающемся помпаже.
В ходе предварительных летных испытаний для определения максимальных значений среднеквадратичных отклонений вейвлет-коэффициентов режим работы входного устройства доводят до помпажа, измеряют пульсации давления с помощью упомянутых датчиков, вычисляют вейвлет-коэффициенты различного уровня и их среднеквадратичные отклонения, затем находят максимальные значения среднеквадратичных отклонений в период, предшествующий помпажу.
Предлагаемый способ позволяет своевременно обнаружить предвестники помпажа входного устройства силовой установки (примерно за 0,5÷4 сек до наступления помпажа), что недостижимо другими методами.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показана зарегистрированная зависимость пульсаций давления воздуха от времени, включающая интервал возникновения помпажа воздухозаборника. На фиг.2 показана зависимость СКО пульсаций давления воздуха. На фиг.3 представлены СКО двух вейвлет-коэффициентов четвертого (С4 - сплошная линия) и пятого (С5 - пунктирная линия) уровня. На фигурах 1-3 при частоте опроса 4096 Гц одно деление на оси абсцисс соответствует ≈12.2 секундам. На фиг.4, 5 приведен пример определения вейвлет-коэффициентов при интервале, равном 4096 значений и шаге, равном 1024 значений, а именно: на фиг.4 показана зарегистрированная зависимость пульсаций давления, на фиг.5 - вычисленные СКО вейвлет-коэффициентов четвертого (С4 - сплошная линия) и пятого (С5 - пунктирная линия).
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.
Авторами предлагаемого способа экспериментально было установлено, что перед возникновением помпажа входного устройства силовой установки с ГТД увеличиваются среднеквадратичные отклонения (СКО) некоторых вейвлет-коэффициентов и достигают определенного максимального значения (см. фиг.3, где на графике представлено поведение СКО двух таких коэффициентов С4 и С5).
Предлагаемый способ заключается в следующем.
1. 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.
2. В процессе полета с помощью этих датчиков измеряют значения пульсаций полного давления воздуха на входе в двигатель и регистрируют результаты измерений каким-либо накопителем. Измерения производят с дискретностью во времени - с частотой не менее 4096 Гц.
3. Исходные данные пошагово с назначенным интервалом преобразуют в вейвлет-коэффициенты различного уровня.
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.4, 5 для интервала в 4096 значений).
4. В конце каждого интервала вычисляют среднеквадратичные отклонения (СКО) полученных вейвлет-коэффициентов (см. фиг.5).
5. При достижении СКО вейвлет-коэффициентов максимального значения, известного из предыдущего опыта (предварительных летных испытаний), делают вывод о близком помпаже входного устройства.
Отметим, что ни сам исходный сигнал пульсаций давления, ни его СКО (фиг.1-2) не предвещают приближения к опасному режиму работы.
СКО каких именно вейвлет-коэффициентов имеют диагностическое значение, зависит от конструкции входного устройства (уровень вейвлет-коэффициента связан с характеристическими частотами конкретного устройства) и определяется экспериментально по результатам обработки измерений пульсаций давления во время летных испытаний.
Предварительные летные испытания для выявления того, СКО вейвлет-коэффициентов какого уровня повышаются перед помпажом, и для определения их максимальных значений проводят следующим образом.
Доводят режим работы входного устройства до помпажа, например, путем перемещения органа механизации воздухозаборника. При этом с помощью тех же описанных выше 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, и максимальные значения их СКО в период, предшествующий помпажу.
Для реализации вычислительной части предлагаемого способа разработана серия программ в среде математической системы «MATLAB», различающих по значениям СКО вейвлет-коэффициентов устойчивый режим работы воздухозаборника от неустойчивого и позволяющих обнаружить предвестники помпажа. Приведенный на фиг.1, 2, 3 пример осуществления способа был получен в результате летных испытаний по определению границ устойчивой работы воздухозаборника. Изменение устойчивой работы, переход в неустойчивый режим работы вплоть до помпажа воздухозаборника при неизменном режиме работы двигателя и постоянном числе М полета достигалось увеличением пропускной способности путем увеличения площади горла воздухозаборника с помощью ручного управления панельно-шарнирным механизмом.
Как видно из фиг.1-2, процесс нестационарный. (Стационарный процесс характеризуется постоянным средним арифметическим значением и постоянным значением СКО). На фиг.3 в преддверии помпажа воздухозаборника при изменяющихся значениях СКО вейвлет-коэффициентов заметна общая тенденция к возрастанию СКО, которые примерно за 3.0÷3.5 секунды до помпажа достигают максимальных значений. Отметим, что ни сам исходный сигнал, ни его СКО (фиг.1-2) не предвещают приближения к опасному режиму работы.