Комплексна діагностика технічного стану роторів авіаційних двигунів на стаціонарних та нестаціонарних режимах - Автореферат

В даний час існуючі методи і засоби неруйнівного контролю і технічної діагностики не забезпечують ефективну ранню діагностику дефектів і пошкоджень валів ГТД в процесі експлуатації, а засоби захисту двигуна у разі руйнування валу використовують малоефективні діагностичні ознаки і не задовольняють вимогам локалізації руйнування. Актуальність роботи полягає у розвитку та вдосконаленні методів параметричної і вібраційної діагностики для вирішення задачі визначення технічного стану валів ГТД в процесі експлуатації на стаціонарних і нестаціонарних режимах, виявлення і локалізації їх пошкоджень. Дисертаційну роботу виконано у ВАТ «НТК «Електронприлад» відповідно до пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки в Україні (постанова КМ України №1716 від 24.12.2001 р.), Державної комплексної програми розвитку авіаційного транспорту в Україні до 2010 року (постанова КМ України №919 від 27.07.01 р.), Програми створення та реальної організації системи науково-технічного забезпечення процесів експлуатації авіаційної техніки (наказ МТ України №752 від 02.11.01 р.), та згідно з планами науково-дослідних робіт ВАТ «НТК «Електронприлад» (НДР «Розробка, виготовлення та поставка бортового радіоелектронного обладнання для літака АН-148», НДР «Розробка, виготовлення та поставка блоків керування та контролю допоміжним газотурбінним двигуном АИ-450-МС - БУК-МС2»). Розробити діагностичну модель обриву валу, визначити вплив пошкодження і обриву валу на параметри робочих процесів ГТД на стаціонарних і нестаціонарних режимах, визначити діагностичні ознаки обриву валу і сформувати порогові значення ознак для стаціонарних і нестаціонарних режимів. Оцінити вплив випадкової перешкоди в каналі вимірювання частоти на діагностичні ознаки обриву валу і розробити метод усунення випадкової складової частоти обертання на нестаціонарному режимі.Проаналізовано причини і характер коливань обертових валів ГТД, встановлено, що під дією комплексу навантажень вал здійснює складний рух, а для гнучкого ротору при запуску та вибігу ротора завжди існує перехід через критичні оберти, що зумовлює необхідність розгляду нестаціонарного обертового руху валу. Показано, що ці параметри залежать від частоти обертання ротора, а на нестаціонарних режимах важливою динамічною характеристикою є швидкість зміни частоти обертання ротора, яка характеризує його прискорення і є параметром, по якому проводиться регулювання ГТД на режимах прийомистості. Дослідження впливу пошкодження та обриву валу на динамічні параметри ротора проведено на прикладі допоміжного двигуна АИ-450-МС, рівняння динаміки якого для бездефектного стану має вигляд: IMG_aaf7802e-c79f-4e3c-809d-505f9d6ec92e , де Іпр - приведений момент інерції ротора; М - сумарний момент, що діє на ротор; n - частота обертання ротора; t - поточний час. Математичну модель, яка описує обрив вала силової турбіни, отримано в припущенні, що при обриві вала ротор розділиться на дві частини, обертальні рухи кожної з яких будуть мати різний математичний опис. Таким чином, обрив вала призводить до зменшення моментів інерції окремих частин ротора, причому для параметрів розглянутого двигуна значення моменту інерції цілого ротора СТ (Іпр) приблизно вдвічі перевищує значення моментів інерції частин ротора (Іпр обр ск та Іст) після обриву вала.Головний науковий результат роботи полягає в розвитку та вдосконаленні методів параметричної і вібраційної діагностики, на підставі чого виконано наукове обґрунтування і розробку комплексної системи функціональної діагностики і локалізації пошкоджень валу ротора ГТД на стаціонарних і нестаціонарних режимах експлуатації. Засоби захисту двигуна у разі руйнування валу використовують малоефективні діагностичні ознаки і не задовольняють вимогам локалізації руйнування. Існуючі наукові дослідження носять обмежений характер, не використовують комплексний підхід до діагностики небезпечного пошкодження і не дозволяють вирішити актуальну задачу діагностики пошкоджень валів роторів в експлуатації для запобігання обриву валу і руйнування двигуна. Отримано математичну модель обриву вала силової турбіни, яка описує рух з уповільненням частини ротора із службовим компресором і рух з прискоренням частини ротора з силовою турбіною. Як діагностична ознака обриву вала запропоновано використовувати швидкість зміни частоти обертання частини ротора із службовим компресором

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Головний науковий результат роботи полягає в розвитку та вдосконаленні методів параметричної і вібраційної діагностики, на підставі чого виконано наукове обґрунтування і розробку комплексної системи функціональної діагностики і локалізації пошкоджень валу ротора ГТД на стаціонарних і нестаціонарних режимах експлуатації.

За результатами роботи зроблено наступні висновки: 1. Існуючі на сьогодні методи та засоби неруйнівного контролю і технічної діагностики не забезпечують ефективну ранню діагностику дефектів і пошкоджень валів газотурбінних двигунів у процесі експлуатації. Засоби захисту двигуна у разі руйнування валу використовують малоефективні діагностичні ознаки і не задовольняють вимогам локалізації руйнування. Існуючі наукові дослідження носять обмежений характер, не використовують комплексний підхід до діагностики небезпечного пошкодження і не дозволяють вирішити актуальну задачу діагностики пошкоджень валів роторів в експлуатації для запобігання обриву валу і руйнування двигуна.

2. Отримано математичну модель обриву вала силової турбіни, яка описує рух з уповільненням частини ротора із службовим компресором і рух з прискоренням частини ротора з силовою турбіною. Як діагностична ознака обриву вала запропоновано використовувати швидкість зміни частоти обертання частини ротора із службовим компресором

IMG_166fc027-9d4c-48cc-b191-92bfecc6cb00 . Визначено значення ознаки і встановлені межі їх розкиду в процесі стендових і льотних (запуск на землі) випробувань двигуна АИ-450-МС для бездефектного ротора.

Визначено залежності ознаки від частоти обертання на різних висотах і сформовано його порогові значення для нестаціонарних і стаціонарних режимів експлуатації. Встановлено, що значення ознаки при обриві валу істотно зменшується із збільшенням висоти польоту і зменшенням частоти обертання ротора.

3. Встановлено, що розсіювання значень ознаки обумовлено наявністю випадкової складової в каналі вимірювання частоти обертання NCT і алгоритмом розрахунку ознаки. На основі вейвлетной фільтрації запропоновано алгоритмічний метод усунення випадкової складової виміряного сигналу частоти обертання ротора до визначення діагностичної ознаки. Показано, що одноразове використання фільтрації дозволяє як мінімум на порядок зменшити випадкову складову за усіма елементами вейвлет - розкладання.

4. Розроблено скінченоелементну модель пошкодженого полого валу і валу з диском. Пошкодження моделювалося шляхом вилучення з моделі валу в його серединному перерізі (або безпосередньо біля диску) кількості елементів, яка імітує пошкодження, при якому відносне змінювання (зменшення) жорсткості в перерізі валу заходиться в межах від 0,01 до 0,3.

Моделювання згінних коливань бездефектного валу і валу з пошкодженням показало, що при серединному розташуванні тріщини найбільш чутливими до пошкодження є частоти за першою та третьою формами коливань. Встановлено, що при відносному зменшенні жорсткості в перерізі тріщини в розглянутих межах максимальне зменшення власних частот згінних коливань валу для випадку повного розкриття тріщини по першій моді не перевищує 7%, а по третій моді - 8%, що свідчить про невисоку ефективність модальних характеристик для діагностики малих пошкоджень валів роторів газотурбінних двигунів.

5. Вдосконалено динамічну модель валу з тріщиною шляхом введення кута, що визначає положення тріщини по відношенню до вектора вібрації. В результаті моделювання прискореного обертання пошкодженого валу, встановлено, що поява та розвиток тріщини зумовлює у вібраційному сигналі нелінійні резонансні явища на субгармоніках критичної частоти обертання ротора (резонанси кратністю 1/2 і 1/3). Інтенсивність нелінійних резонансів залежить від параметра пошкодження, кута орієнтації тріщини, величини дисбалансу, кута орієнтації незбалансованої маси.

Як діагностичні ознаки появи і розвитку тріщини докритичного розміру запропоновано використовувати пікові значення амплітуди вібрації поблизу субгармонічних резонансів кратністю 1/2 і 1/3. Збільшення пошкодження при максимальному розкритті тріщини викликає збільшення на 65% пікового значення амплітуди резонансу кратністю 1/2, а при протилежному розташуванні тріщини - на 30% пікових значень амплітуди резонансів кратністю 1/2 і 1/3 з одночасним зменшенням амплітуди основного резонансу.

6. Розроблено функціональну схему системи автоматичного захисту силової турбіни, розроблено алгоритм функціонування системи захисту, методику його відпрацювання і тестування за допомогою математичних моделей (лінійній математичній моделі допоміжного двигуна і моделі обриву валу), методику перевірки працездатності в процесі стендових випробувань. Розроблено програмне забезпечення для інтелектуальної системи знімання і обробки інформації, яке забезпечує працездатність обчислювача і функціонування системи автоматичного захисту (підтверджено Свідоцтвом про реєстрацію авторського права).

7. Розроблено і виготовлено пристрій автоматичної системи захисту силової турбіни, який пройшов стендові випробування на стендах ВАТ «Мотор Січ» (м. Запоріжжя). Окремі блоки та система в цілому, алгоритмічне та програмне забезпечення впроваджено в блоках автоматичного керування та контролю допоміжного газотурбінного двигуна АИ-450-МС у ВАТ «Мотор Січ» (м. Запоріжжя), АНТК ім. О.К. Антонова (м. Київ), ВАТ «НТК «Електронприлад» (м. Київ).

1. Яцко Л.Л., Бондарь И.И., Епифанов С.В., Мотора Ю.А., Резуненко А.А. Модернизированная бортовая автоматизированная система БСКД-27М-02 контроля и диагностики двигателя Д-27 для нового поколения самолетов АН-7Х // Авиационно-космическая техника и технология. - 2000. - Вып. 19. - С.326-329.

Здобувачем запропонована функціональна схема для побудови модернізованих систем контролю та діагностики двигунів Д-27 для літаків нового покоління АН-7х.

2. Яцко Л.Л., Дробинов В.П. Формирование структуры аппаратной части унифицированной системы контроля и управления авиационными двигателями // Авіаційно - космічна техніка та технологія - 2003. - Вип.41/6. - С. 119-124.

Здобувачем запропонована функціональна схема для побудови систем керування та контролю авіаційних двигунів класу FADEC (Full automatic digitally control engine) підвищеної надійності та універсальності.

3. Яцко Л.Л., Епифанов С.В. Анализ структуры системы управления вспомогательной силовой установки самолета // Авиационно-космическая техника и технология. - 2004. - №8(16). - С.104-109.

Запропонована методика настройки контурів керування елементами компресора, виконано аналіз якості керування при різних функціональних схемах побудови системи керування.

4. Яцко Л.Л., Бурау Н.И., Т.О.Бакалор, Ю.В.Сопилка Влияние поперечной трещины ротора на его модальные и вибрационные характеристики // Авиационно-космическая техника и технология. - 2007. - №8(44). - С.127-131.

Запропоновано моделі пошкодженого валу, проаналізовано вплив пошкодження на модальні та вібраційні характеристики.

5. Яцко Л.Л., Трофименко Р.А., Королюк В.Д. Организация автоматической защиты силовой турбины в блоке БУК-МС2 САУ ВГТД АИ-450-МС самолета АН-148 // Авиационно-космическая техника и технология. - 2007. - №9(45). - С.83-86.

Побудовано систему контролю та захисту сучасних авіаційних двигунів від нештатних ситуацій на прикладі системи захисту від руйнування валу ротора силової турбіни двигуна АИ-450-МС.

6. Яцко Л.Л., Трофименко Р.А., Емельянов С.Н. Система организации встроенного контроля в блоке БУК-МС2 САУ ВГТД АИ-450-МС самолета АН-148 // Авиационно-космическая техника и технология. - 2007. - №10(46). - С.205-210.

Побудовано систему вбудованого контролю у системі автоматичного керування БУК-МС2. Запропоновано побудову ієрархії відмов, методи визначення відмов датчиків, агрегатів, внутрішніх відмов у системі керування та засоби повідомлення екіпажу про нештатну ситуацію.

7. Яцко Л.Л., Бурау Н.І., Поповцев О.С. Аналіз вібраційних та модальних характеристик пошкодженого ротора // Тез. допов. наук.-техн. конф. “Приладобудування 2007: стан і перспективи”. - Київ: НТУУ ”КПІ”, 2007. - С. 25.

8. Яцко Л.Л. Использование параметрических методов диагностирования для локализации разрушения вала силовой турбины авиационного двигателя // Тез. допов. наук.-техн. конф. “Приладобудування 2007: стан і перспективи”. - Київ: НТУУ ”КПІ”, 2007. - С. 29-30.

9. Яцко Л.Л., Трофименко Р.А., Королюк В.Д. Организация автоматической защиты силовой турбины в блоке БУК-МС2 САУ ВГТД АИ-450-МС самолета АН-148 // Тез. доп. 12 Міжнародного Конгресу двигунобудівників - Харків: «ХАІ», 2007. - С.84.

10. Яцко Л.Л., Трофименко Р.А., Емельянов С.Н. Система организации встроенного контроля в блоке БУК-МС2 САУ ВГТД АИ-450-МС самолета АН-148 // Тез. доп. 12 Міжнародного Конгресу двигунобудівників - Харків: «ХАІ», 2007. - С.84.

11. Яцко Л.Л., Бурау Н.И., Т.О.Бакалор, Ю.В.Сопилка Влияние поперечной трещины ротора на его модальные и вибрационные характеристики // Тез. доп. 12 Міжнародного Конгресу двигунобудівників - Харків: «ХАІ», 2007. - С.35.