Диагностирование функциональных систем силовых установок на основе использования математических диагностических моделей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.7.036.3

Ю. Н. Чоха, А. П. Федорчук

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Рассматриваются математические диагностические модели динамики изменения контролируемых параметров функциональных систем авиационных силовых установок с применением комбинированного функционально-тестового метода идентификации технического состояния этих систем.

Введение

Из статистического анализа характерных неисправностей авиационных двигателей, которые эксплуатируются в Украине, следует, что от 10 до 23 % обнаруженных отказов и повреждений выпадает на функциональные системы, которые обеспечивают работу газотурбинных двигателей (ГТД) (системы смазки опор ротора и приводов агрегатов, топливоснабжения, автоматического управления, запуска двигателя, виброконтроля и другие). Этот факт показывает актуальную необходимость в разработке новых методов, обеспечивающих повышение эффективности и оперативности оценки текущего технического состояния функциональных систем современных силовых установок. В значительной мере это можно обеспечить путем внедрения автоматизированных систем диагностирования (АСД).

Но, учитывая то обстоятельство, что функциональные системы двигателей через незначительное количество контролируемых параметров относятся к типу объектов с низким уровнем контролепригодности, задача осуществления оперативной текущей оценки их технического состояния по данным параметрической информации является достаточно проблематичной и не позволяет в полной мере использовать для них АСД и стратегию эксплуатации по техническому состоянию (ТС) с контролем параметров.

Метод оценки технического состояния функциональных систем силовых установок на основании использования математических диагностических моделей

С целью повышения эффективности существующих штатных систем контроля и регистрации параметров силовых установок предлагаются к использованию расчетно-аналитические алгоритмы математических диагностических моделей рабочих процессов функциональных систем силовых установок в средах АСД (например, в экспертных сис-

темах диагностирования - ЭСД). Диагностические свойства этих моделей определяются тем, что они позволяют задавать как эталонные значения параметров, которые характеризуют начальное (исправное) состояние функциональных систем и двигателя, так и такие значения параметров, которые характеризуют степень развития характерных эксплуатационных неисправностей конструктивных узлов и агрегатов силовых установок, т. е. смоделировать набор «портретов» неисправностей силовой установки конкретного типа. Для определения конкретного вида неисправности предлагается использовать методику комбинированного функционально-тестового (КФТ) [1] метода идентификации неисправностей узлов ГТД и функциональных систем, которая обеспечивает его реализацию и базируется на использовании метода условного сравнения математической диагностической модели (МДМ) исправного (эталонного) ТС объекта диагностирования с МДМ его текущего технического состояния [2], с последующей реализацией методики оценки его текущего ТС по значениям комплексного диагностического параметра (КДП) и идентификации текущих неисправностей по тестовым знако-амплитудным матрицам («портретам»), заранее смоделированных характерных повреждений (дефектов) или отказов типовых силовых установок.

Математическая модель условного сравнения МДМ текущего ТС ^р)) с эталонной МДМ исправного ТС ^оу<^о)) объекта диагностирования имеет такой вид:

57, (1г) = = ±а, )5x1

7 о, (О

+

о 10> г=1

+ Е Ь, + 142 ,

(1)

где а,(Яг), Ь,(ЯГ) - операторы функций изменения

© Ю. Н. Чоха, А. П. Федорчук, 2008

188М1727-0219 Ааппксг аассщаеапшТакс ' '1/2008

151

г=1

соответственно измеренных и рассчитанных контролируемых параметров; 5хг-, 5у , - относительные отклонения текущих значений, соответственно, измеренных и расчетных контролируемых параметров (диагностических признаков) объекта контроля и диагностирования от их начальных (эталонных) значений, которые отвечают заданным техническим условиям (ТУ); иЕ - суммарная погрешность измерения (расчета) / -го параметра; - время наработки (календарный срок) регулярной эксплуатации данного объекта в момент проведения его диагностирования.

Практическая реализация КФТ метода относительно оценки текущего технического состояния объекта эксплуатации осуществляется по схеме, представленной на рис. 1. При этом если текущее ТС объекта, который диагностируют, незначительно отличается от его начального ТС, то 52^г-)=(1,0 + иЕ), а полученный разброс измеренных (рассчитанных) значений параметров данного экземпляра объекта эксплуатации обусловлен лишь суммарными погрешностями измерения (расчета) этих параметров при условии адекватности МДМ, что используется, то вид технического диагноза оценивается как «исправное ТС» данного экземпляра объекта.

В случае несоответствия текущих значений контролируемых параметров их начальным (эталонным) значением, но в пределах допустимых диапазонов их изменения,

[(1,0 + иЕ) - А] < 52, < [(1,0 + иЕ) + Адои. ] ,

т.е. фиксируется наличие неслучайного отклонения значений параметров, которое обусловлено появлением и развитием неисправности данного экземпляра объекта эксплуатации, но не привело к потере его работоспособности, вид технического диагноза оценивается как «неисправное, но работоспособное ТС». В случае выхода текущих значений контролируемых параметров за границы допустимых диапа-

зонов их изменения,

52; > [(1,0 + иЕ) + А

когда

или

52, < [(1,0 + иЕ ) — Адоп ] и фиксируется наличие

такого неслучайного отклонения значений параметров, которое обусловлено значительным развитием неисправности данного экземпляра объекта эксплуатации, которая может оцениваться как потеря работоспособности и граничит с отказом данного объекта в любой момент его дальнейшей работы, вид технического диагноза оценивается как «неработоспособное ТС» такого объекта и определяет опасность его дальнейшей эксплуатации.

При контролировании работы функциональных систем силовых установок штатными встроенными системами прямого измерения регистрируется определенная совокупность значений параметров, которые характеризуют их работу как в целом, так и отдельных конструктивных узлов (элементов) отдельно.

Так, например, в системе смазки ГТД измеряется и контролируется по приборам лишь два основных параметра - давление масла на входе в систему за насосом нагнетания и его температура на выходе из опор двигателя, а на некоторых ГТД контролируется еще и количество масла в маслобаке (Ом) и сигнализируется появление металлической стружки в отработанном масле. На все контролируемые параметры устанавливаются эксплуатационные диапазоны допустимых значений по режимам работы ГТД.

Учитывая, что развитие неисправностей авиадвигателя происходит постепенно, зафиксировать их появление на ранних этапах возможно лишь при контролировании динамики изменения текущих значений контролируемых параметров по сравнению с начальными их значениями, зафиксированными в формуляре двигателя. В этом случае математическая модель динамики изменения параметров систе-

Рис. 1. Структурная схема диагностирования технического объекта эксплуатации КФТ методом

мы смазки ГТД будет иметь вид:

5РМтек (*, ) = - = 1,0 ±1 5Р<-~ +-М

5ТМтек )

РМ 0 ('о ) ^М,- в ) ТМ 0 )

1,0 ±|5Гмизм +-

Ж,

ж,

-М;

50

М час.тек

С, ) =

0

)

50М час.изм +

0

Мчас.0 0

(О

= 1,0 ±

ж,

-М;

(2)

5тг

''РОГ .0 *Л0

Со)

1,0 ±(5тРОГ изм )-

йХг

Ж;

-Аг,

(3)

где ТроТ 0 (tо), хрот А) - зарегистрированное время выбега ротора, соответственно, в начале эксплуатации и в любое текущее время эксплуатации двигателя; 5трот. изм - относительная величина погрешности измерения выбега ротора ГТД.

Но в реальных условиях эксплуатации при измерении этого параметра присутствует значительная доля субъективизма, хотя, если этот процесс автоматизировать, то это будет мощный информативно-диагностический параметр ГТД.

Если сгруппировать определенным образом отдельные динамические показатели изменения контролируемых параметров, то можно получить комплексный диагностический показатель системы смазки ГТД {<2м&,)), который может иметь следующий вид:

<м х с,)=

5Рм теК (и ) 5Т

5Тм тек (^ ) 50

РОТ тек У г

С,)

М час.тек У ,

С,)

(4)

где Рмо^ 0М час. 0(^ - зафиксирован-

ные в формуляре в начале эксплуатации двигателя,

соответственно, давление, температура и часовой

расход масла; РМг<4 ) ТМi(ti), 0Мчас. - зарегистрированные на соответствующем диагностическом

режиме текущие значения, соответственно, давления, температуры и часового расхода масла; 5Рм

изм, 5ТМизм, 50М час. изм- относительная величина

погрешностей системы измерения, соответственно, давления, температуры и часового расхода масла типового ГТД.

К системе (2) следовало бы прибавить и уравнение динамики изменения величины выбега ротора турбокомпрессора, которое постоянно должно контролироваться экипажем ВС после выключения ГТД:

Если при вычислении значение комплексного диагностического показателя <мЙ) находится в диапазоне

ям х(,) = 1,0 ± 5<2мх изм., где А<2мх, изм. - относительная величина погрешности вычисления показателя, то техническое состояние системы смазки данного экземпляра ГТД оценивается как «исправное» и не предполагает выполнения в ней каких-либо профилактико-восстановительных работ, а режим эксплуатации- в соответствии с заданными техническими условиями. В случае, когда текущее значение бмх(^) принимает значение в пределах установленного допуска (А<Мх доп ), т.е.

1,0 -5<М х изм. А<М х доп. ^ <М х ) < < 1,0 -5<<Мх изм.

или

1,0 + 5<М х изм. + А<м х доп.,

< <М х С, ) ^ 1,0 + 50М х изм.+

техническое состояние системы смазки данного экземпляра ГТД оценивается как «неисправное, но работоспособное». При этом предполагается идентификация неисправного узла (элемента) системы смазки ГТД по «портрету» заранее смоделированных характерных неисправностей в соответствии с КФТ методом [1]. Режим эксплуатации при таком диагнозе может быть установлен с определенными ограничениями для ГТД с обязательным контролем динамики развития идентифицированной неисправности. Если же текущее значение )) принимает значение за пределами установленного допуска, т.е. либо ямх 6 ) < 1,0 - 5<мх изм. - А<

СМ х доп.

либо ямх 6 ) > 1,0 + <х изм+Щ

СМ х доп.

то

техническое состояние системы смазки данного экземпляра ГТД оценивается как «неработоспособное», которое предполагает безусловный запрет дальнейшей эксплуатации ГТД до устранения идентифицированной неисправности.

Таким образом, описанный детерминированный подход к диагностике функциональной системы позволяет реализовать стратегию ее эксплуатации по текущему техническому состоянию с контролем параметров системы. При соответствующем программном обеспечении описанного алгоритма диагностирования может быть обеспечен постоянный мониторинг технического состояния функциональной системы конкретных экземпляров ГТД, уста-

+

т

188Ы1727-0219 Ааппксг аасСщаеапп$такс '' 1/2008

- 153 -

новленных на воздушном судне.

Учитывая то, что на некоторых типах ГТД используется система виброконтроля роторов ГТД, то ее диагностический показатель можно моделировать аналогично (2, 3), т.е.

SV_ (tt) =

= 1,0 ± (sv )

' V изм /

V (t)

тек.г У i ' _

V,(to) " dVt (ti)

dt,.

At,.

(5)

где У()((()), Утек г(/г) - зарегистрированная величина скорости вибрации ГТД, соответственно, в начале эксплуатации и в любое текущее время эксплуатации двигателя; 5У„зм - относительная величина

изм

погрешности измерения скорости вибрации ГТД.

Прибавляя уравнение (5) к системе уравнений (2-3) получим комплексную математическую модель динамики изменения параметров нескольких взаимосвязанных функциональных систем, которые обеспечивают работу типичного ГТД, а именно, систем смазки, суфлирования, виброконтроля, которые можно характеризовать обобщенным комплексным диагностическим показателем вида:

Dpz (t.) =

(6)

Spm тек (t.) • STf

Д ) SVmeK (t. )

STM тек (ti ) 'SGM

Д)

Хотя полученные аналитические выражения математических диагностических моделей функциональных систем авиационных ГТД (2-5) еще требуют детального обоснования и проверки на адекватность, тем не менее, можно надеяться на целесообразность и практическую эффективность их использования для более глубокой оценки текущего технического состояния функциональных систем, которые обеспечивают работу ГТД в процессе эксплуатации.

По аналогичной методике можно построить математические диагностические модели рабочих процессов других функциональных систем, таких, как системы запуска, автоматического топливоре-гулирования, управления гидромеханическими и электромеханическими устройствами поворота НА компрессоров и работы клапанов перепуска воздуха компрессоров ГТД и осуществлять их текущую диагностику по описанной схеме. Это довольно кропотливая работа, которая нуждается в отдельных исследованиях, тем не менее, и она может иметь успех при применении предложенной методики построения МДМ.

Выводы

Таким образом, построение и использование методик математического моделирования рабочих процессов проточной части разнотипных ГТД и функциональных систем, которые обеспечивают их роботу, имеют широкий диапазон практического применения без дополнительного дооборудования конструкций современных ГТД специально встроенными датчиками системы измерения параметров. При этом математические диагностические модели позволяют в значительной мере расширить информационно-диагностическую базу авиационных силовых установок, которая приводит к повышению уровня их контролепригодности, эксплуатационной технологичности, что в свою очередь позволяет повысить эффективность штатных систем контроля и диагностирования без проведения специальных конструктивных усовершенствований.

Перечень ссылок

1. Дмитриев С. А., Чоха Ю. Н. Методика применения функционально-тестового метода идентификации неисправности ТРДД в среде динамической ЭСД // Вестник двигателестроения. - № 2. - 2004. - C. 173-176.

2. Ахмедзянов А. М., Дубравский Н. Г., Тунаков А. П. Диагностика состояния ВРД по термогазодинамическим параметрам. - Г.: Машиностроение, 1983. - 206 с.

Розглядаються математичш diагностичш модел1 динамжи змти контрольованих па-

1 . . Поступила вредакциюЛ9.09.2007

рамеmрiв функщональних систем авiациних силових установок i3 застОсуванням K0мбi-

нованого функцюнально-тестового методу iдентиф1кац1 i техш чного стану цих систем.

Considered are mathematical dtagnosttc techniques of dynamics in changing controlled of dynamics in changing controlled parameters offunctional systems in aviation power plants with the use of a combined functional-test method of identification of technical state of these systems.