CC BY
383
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Эксплуатация воздушного транспорта
УДК 629.735.03
ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ТИПА ПС-90А ПО ПАРАМЕТРАМ ВИБРАЦИИ
Б.А. ЧИЧКОВ, М.П. СОКОЛОВ
В статье показана эффективность использования метода иерархий для анализа параметрической информации.
По данным работы [3] на 1 января 2005 года парк авиационных газотурбинных двигателей типа ПС-90 А составлял 110 штук. Несмотря на значительное улучшение эксплуатационных показателей и показателей надежности (таких как коэффициент частоты выключения двигателя в полете, коэффициент частоты незапланированных съемов двигателя с самолета, коэффициент частоты съема двигателя для отправки в ремонт) по сравнению с 2001 годом, остается актуальной проблема несвоевременного обнаружения неисправностей. Это служит причиной снижения уровня безопасности полетов, дорогостоящих ремонтов двигателей и простоев авиационной техники.
Так, за 2004 год на 10 двигателях типа ПС-90 А произошли отказы, связанные с повреждениями рабочих лопаток компрессора высокого давления (КВД). При этом для всех случаев сходным являлся характер обнаружения неисправности. Обнаружение неисправности носило «аварийный» характер, сопровождалось переходом двигателя на неустойчивые режимы работы и его отключением. Во всех случаях, как правило, срабатывала сигнализация информационной системы «Помпаж», далее следовало падение частоты вращения ротора, резкий рост температуры газов за турбиной с выходом за диапазон измерения и рост вибраций КВД. Осмотр двигателей на земле свидетельствовал о наличии повреждений рабочих лопаток КВД: отгибов, вы-рывов материала, забоин (в том числе рваных), разбандажирования полок, вмятин.
Приоритетным с точки зрения раннего обнаружения неисправности является совершенствование методов параметрического диагностирования.
Несмотря на то, что за последние годы высокий уровень развития получили средства контроля, обеспечивающие возможность не только оценки работоспособности или исправности элементов на момент контроля, но и более глубокого анализа их технического состояния и прогнозирования его изменения в предстоящем периоде эксплуатации, широко используемые в практической эксплуатации методы параметрического диагностирования слабо реагируют на неисправности.
Двигатель ПС-90А имеет достаточный перечень параметров и режимов их автоматической регистрации, а малый период между моментами регистрации повышает достоверность получаемой информации. Однако наземная часть системы диагностирования «Диагноз-90» для двигателя ПС-90А, осуществляющая обработку и анализ параметрической информации, в алгоритмическом плане не модернизировалась на качественном уровне в течение 10 лет.
В настоящей статье рассматривается двигатель, снятый с самолета Ил-96-300 с признаками, характеризующими его принадлежность к рассмотренному выше типу неисправности. Двигатель наработал 5002 часов, 536 циклов и был снят с самолета по помпажу и повреждению рабочих лопаток КВД. Ниже представлены результаты применения метода иерархий [4] для обработки и анализа параметрической информации, накопленной на двигателе, и результатов, полученных по методическому обеспечению системы «Диагноз-90» [1].
На двигателе ПС-90А регистрация осуществляется автоматически на установившихся (взлетный режим, номинальный режим, крейсерский режим, режим малого газа) и неустано-вившихся (переходных) режимах полета. Для диагностики неисправности параметрическими методами здесь использовались ряды значений параметров, измеренных на взлетном режиме
работы двигателя (данный режим работы является более нагруженным, дефект проявляется наиболее ярко и его определение методами параметрической диагностики более вероятно).
В процессе эксплуатации регистрируются значения следующих параметров:
1. Термогазодинамических (температура воздуха на входе в двигатель, температура воздуха на выходе из компрессора высокого давления (Т_КВД), температура газов за турбиной (Т ТНД), давление воздуха на входе в двигатель, давление воздуха на выходе из компрессора (РКВД), обороты роторов всех каскадов (Ы ВЕН, Ы_КВД), угол установки РВНА (А_вна));
2. Группы масла (давление масла на входе в двигатель (Рмвх), температура масла на входе в двигатель (Тмвх), температура масла отводимого от опор двигателя (Тм ТНД, ТмТВД, ТмКВД));
3. Группы топлива (давление топлива за подкачивающим (Рт_НР) и основными насосами (Рт_1к), расход топлива (От), сигнализация минимального давления топлива, сигнализация перепада давления на топливном фильтре);
4. Вибрации - по узлам подвески (УвР, УвЗ, Ук_З, Ук_Р).
На двигателе ПС-90А бортовая система контроля двигателя БСКД-90 выполняет функции приема, преобразования сигналов, допускового контроля по фиксированным и плавающим пределам, выделения установившихся режимов, контроля механизации компрессора и реверсивного устройства, расчета и хранения информации о наработке, анализа тенденций внутриполетно-го изменения параметров.
Для анализа полетной информации система «Диагноз - 90» использует методы допускового контроля, сочетая их с методами корреляционного и регрессионного анализа (алгоритмы анализа обширны и в настоящей статье их описание не приводится, подробно изложены в [1]).
Для совместной обработки результатов отсчетов параметров, полученных при различных условиях полета, необходимо приведение параметров к стандартным атмосферным условиям и одному режиму работы. Приведение к САУ осуществляется с помощью формул теории подобия (обеспечивает нахождение приведенных значений параметров на одной линии дроссельной характеристики двигателя). Приведение к одному режиму работы осуществляется с использованием коэффициентов экстраполяции (что позволяет получить значения параметров при постоянном заданном значении выбранного параметра режима). Формулы приведения изложены в [1]. Для рассматриваемого случая режимным параметром была выбрана приведенная к САУ частота оборотов ротора КВД.
На основании физики процессов, происходящих на двигателе при повреждении рабочих лопаток компрессора высокого давления, можно предположить, что для неисправностей такого типа диагностическими параметрами будут являться параметры вибрации. Повреждение приводит к существенному смещению центра тяжести ступени ротора по сравнению с исправным двигателем, что ведет к повышению разбалансировки и повышению вибраций.
1. Анализ параметрической информации на базе методического обеспечения системы «Диагноз-90»
Анализ временных реализаций виброскоростей по разделительным корпусам и задним подвесам роторов компрессора высокого давления и вентилятора, проведенный по алгоритму системы «Диагноз-90» в соответствии с [1], сводился к следующим этапам (здесь подробно на примере параметра Ук_Р; исходные данные - © ОАО «Авиадвигатель», ЦИАМ им. П.И. Баранова).
1. Было найдено среднее значение виброскорости для первых 10 полетов (базовое значение). Затем находились отклонения текущих средних значений виброскорости по 10 полетам от базового значения. Допуски на предельные значения отклонений приведены в табл. 1.
Таблица 1
Предельно-допустимые значения, предельно-допустимые отклонения и предельно-допустимые скорости тренда некоторых параметров двигателя типа ПС-90 А [1]
Параметр Предельнодопустимое значение параметра Предельно-допустимое отклонение среднего значения параметра от базового Предельно-допустимая скорость тренда (В)
Птт Птах ёПтт ёПтах Втт Втах
Ув Р 0 35 -10 10 -0,004 0,002
Ув З, Ук Р, Ук З 0 25 -10 10 -0,004 0,002
Распределение отклонений по наработке для параметра Ук_Р показано на рис. 1.
2 1,6 Р 1,2
о' 0,8
1_ ’
<и
X
5? 0,4 о I—
° о
<и
<и ^ „ I -0,4 о
О -0,8 -1,2 -1,6
Рис.
• т
• •
%
V • ••• И ^ *
^------. • V : ;••• . Г / .—.
•. :* • .................. „ . •:
V-. ;—••-------------------ч‘ г V- -• ,Л: *•—
0* 900 1000 ¿И500 ле00^ «500*Ф 300^^^500
* * • • •• * »»•:
с * »
4—' » >—• }
•Л • • • ••
.• .: • .*:*
—г •--9 •----------
• / * •
-С :> Г-
4000
4500
50
•5. .
Л • • >
г •
00
Наработка, ч
1. Распределение отклонений текущего среднего значения величины виброскорости от базового значения, измеренного по 10 первым полетам
Из данных, приведенных на рис. 1, следует, что отклонения от базового среднего значения принадлежат области от -1,4 мм/с до 1,8 мм/с, что не позволяет диагностировать неисправность по граничным условиям (табл. 1).
2. Были найдены значения коэффициентов корреляции между наработкой и соответствующими ей значениями виброскоростей по 10 полетам. Распределение коэффициентов корреляции по наработке для параметра Ук_Р приведено на рис. 2. Жирными пунктирными линиями показан минимальный (верхний предел равен 0,6319 при уровне значимости 0,05) и максимальный (нижний предел равен - 0,6319 при уровне значимости 0,05) уровни коэффициента корреляции, в соответствии с таблицей, составленной Р. Фишером [2], при котором можно говорить о наличии значимой корреляционной связи между факторным и результативным признаками.
■&
■&
0,8
0,6
0,4
0,2
0
-0,2
-0,4
-0,6
-0,8
; ; -_______■ і.. ':.’
:г *.•■•'Л:.'; - Г.*' \
- *.*---*1_т -"*7 —«т. Я- #1—і-----------
200^«* 2500 •
і ^ ф і 1 “ * и * • % а
1 ?• 50^/^ І00Ь^в^50^. 20в^*в 2б0^у3000 3500 4000 450^ • 50
• :ТТр 'г
Наработка, ч
Рис. 2. Распределение значений коэффициента корреляции по наработке для результативного параметра - ¥к_Р
1
Анализ данных рис. 2 свидетельствует о наличии значимой связи в районе 3600 часа наработки двигателя. Дальнейшие исследования по алгоритму [1] необходимо производить именно в районе 3600 часов налета.
3. На рис. 3 приведено распределение значений абсолютных величин параметра ¥к_Р на взлетном режиме работы двигателя по наработке.
10
Ц
Ш
н
ф .р 3 ^ £ 3 Э
о ^
03
0
со
_0
I—
о
о
а
о
о
о
а
ю
СП
• у = -0,0003х + 91,212 Р = 0,6910 • •
•••*• • • • У • • • Р 9 с* . • М . • % • ф = 0,0169х - 59,937. Р = 0,3592 \ # • J / ш • • • _
И • • г*« ' •• 9 • ф • \* • . • • • •• • Т* • • Vа * • У* " у. Зч
V V * V > :.*/• ••••••• • _ « « *( ¿4 ^/Л/Л ••А • • • • • • «V* г ► * • • • ь • 1 •_ • ••
•• • \ ''^4 • \ • \ •
500
1000 1500
2000 2500 3000
Наработка, ч
3500 4000 4500 5000
8
6
4
2
0
0
Рис. 3. Однофакторная модель «Виброскорость в зоне разделительного корпуса
КВД = ^(наработка)»
Согласно данным рис. 3 величина виброскорости не превышает установленных в соответствии с табл. 1 пределов. Также проводился анализ характеристик линий регрессии, построенных для последних 10 полетов и полетов с 11 по 20 с конца ряда (считая от наработки
3600 час/налета - значимость связи по коэффициенту корреляции). При формальной реализации алгоритма «Диагноз-90» требуется выполнение условия по значимости корреляционной связи не только для 10 последних полетов, но и полетов с 11 по 20 с конца ряда. При выполнении этого условия и условия равенства в знаках угловых коэффициентов линий регрессии проводится допусковый контроль угловых коэффициентов. Если допуск на коэффициент меньше его значения, то выдается заключение о неисправном состоянии двигателя. В рассматриваемом случае можно говорить о значимости корреляционных связей, но знак угловых коэффициентов различен, а следовательно, по алгоритму «Диагноз-90» нельзя однозначно утверждать о неисправном состоянии объекта диагностирования.
Алгоритм обработки массивов информации был применен и для других параметров вибрации (Ув_Р, Ув_З, ¥к_З). Распределения отклонений от средних значений, абсолютных значений виброскоростей и т.д. имеют несколько другую форму, но их численные значения не выходят за границы допусков (табл. 1). Поэтому формулировка заключения о неисправном состоянии двигателя также невозможна. С целью экономии места эти модели здесь не приводятся.
Таким образом, при построении исследования по диагностическому алгоритму системы «Диагноз-90», изложенному в [1], вероятен пропуск неисправности, что и произошло в условиях эксплуатации.
2. Анализ параметрической информации методом иерархий [4]
Предполагается, что изменение какого-либо фактора неодинаково сказывается на всех измеряемых параметрах, и поэтому среди измеряемых параметров могут быть выделены группы, реагирующие «особо остро» на каждый из факторов порознь. При этом каждая из групп характеризуется тем, что параметры, ее составляющие, имеют высокую степень корреляции. В соответствии с этим может быть сформулирована задача разбиения контролируемых параметров на группы, внутри которых уровень корреляции будет высоким, тогда как корреляция между параметрами разных групп - низкой. Решение этой задачи позволит описать на качественном уровне отношения между параметрами.
Анализ связей между параметрами проводится в матричной форме. Матрицы используются в диагностическом исследовании как для оценки текущих характеристик и параметров моделей, так и анализа динамики характеристик связи параметров.
Целесообразно «разукрупнение» исследования на матричные формы размерности Мх1 (декомпозиция описания сложной системы по тем или иным признакам соответствует содержательной стороне процесса построения моделей сложных систем). При использовании матриц размерности Мх1 индексация осуществляется по результативному признаку, указываемому в заголовке строки, и факторным параметрам, которые указываются в строках матрицы. Затем строки объединяются в форму вида табл. 2.
Целью этого раздела статьи является иллюстрация возможностей применения методики для анализа больших объемов параметрической информации, математические основы метода приводятся в [4].
Для неисправности - повреждение рабочих лопаток последних ступеней КВД по соображениям, приведенным выше, предполагается исследовать, главным образом, динамику иерархий связи между параметрами вибрации и множеством факторных параметров. В случаях иных неисправностей исходное множество параметров может быть сформировано как из физических соображений, так и, в отдельных случаях, определено на полном множестве параметров, т.к. производительность современных ПЭВМ позволяет проводить указанные исследования за «разумное» время (минуты) даже при исследовании динамики матриц.
Высота положения факторного параметра в столбце матрицы определяется плотностью корреляционной связи (чем выше плотность связи, тем выше положение параметра). Следует отметить, что коэффициент корреляции рассчитывался не на выборках априори задаваемых
объемов. В соответствии с методикой [4] для каждого случая находилась оптимальная длина ряда наблюдений. Оптимальной здесь считалась длина выборки, на которой значение коэффициента корреляции, нормированного относительно табличного значимого, было максимальным. Такой подход позволяет в полной мере учесть динамику связей между параметрами.
Фрагмент динамики иерархий связей для результативного параметра - УкРК приведен в табл. 2. Уровень связи ограничен 5 факторными переменными. Из таблицы исключены переменные, имеющие уровень корреляционной связи с Ук_РК меньше табличного (значимого).
Таблица 2
Фрагмент таблицы динамики иерархий связей между факторными параметрами и параметром УкРК (результативным)
Номер полета 530 520 510 100 93 89
Наименование параметра и его положение в иерархии Тм ТНД Тм вх N ВЕН Тм вх ВТмТВД ВТмТВД
Тм вх N ВЕН Тм вх ВТмТВД Рм в Рм в
Т КВД N КВД N КВД Рм в Ув Р Ув Р
ВТмТВД Ув З Ук Р ТмТВД Т ТНД Т ТНД
Ув З Т КВД Ув З ТмКВД ^КВД Наработка
а)
Номер полета 75 63 59 49 45 37
Наименование параметра и его положение в иерархии Наработ- ка ТмТНД ТмТНД ТмТНД Наработ- ка Наработ- ка
ВТмТВД Наработ- ка ТКВД ТКВД ВТмТВД ТмТНД
Т КВД Ук З ТмТВД Тм вх Рт НР Тв ГГ
Ув Р Рм в Тм вх N ВЕН Р суф Рт НР
ТмКВД N ВЕН ТмТВД ТКВД Тм вх
б)
Номер полета 31 25 20 11 5 2
Наименование параметра и его положение в иерархии Тв ГГ ^ВЕН Наработ- ка Наработ- ка ТКВД ТКВД
От Наработ- ка Т ТНД РКВД Наработ- ка Наработ- ка
ТмТНД ВТмКВД Р КВД N ВЕН Ув З
ВТмТНД ТмТВД Т ТНД
ВТмКВД ТмКВД
в)
Примечания: 1. заголовок каждого столбца содержит номер полета, отсчитываемый от полета, после которого была обнаружена неисправность (т.е. с конца ряда); 2. ВТмТВД, ВТмКВД, ВТмТНД - разности температур масла, отводимого от опоры соответствующего узла, и температурой масла на входе в двигатель.
Первые три столбца табл. 2 характеризуют техническое состояние двигателя в первых 30 полетах (приводятся в качестве базовых для сравнения с последующими иерархиями). Для первых 30 иерархий характерно яркое проявление физики процессов, происходящих на двигателе. Очевидна зависимость между вибрационными характеристиками двигателя и частотой оборотов роторов, разницей температур масла между входом и выходом из опоры.
С четвертого столбца приведены иерархии связей, наблюдавшиеся в последних 100 полетах
- циклах. До 93 цикла характер иерархий стабильный (связи физичны как и в первых полетах). Но начиная с 89 цикла (а особенно ярко это выражено в 75 цикле) вид иерархий претерпевает изменения. Появляется, а далее становится все более значимой связь параметра вибрации с наработкой (независимой переменной). Это свидетельствует о развитии неисправности. В промежутке между 59 и 49 предотказовыми полетами корреляция по наработке пропадает. Это можно объяснить частичной самобалансировкой ротора двигателя. Однако дефект проявляется уже на 45 предотказовом цикле. Чрезвычайно плотная связь по независимому параметру имеет тенденцию к сохранению на протяжении 8 циклов. Затем следует небольшой период (12 циклов) более стабильной работы двигателя. Но уже с 25 предотказового цикла опять возникает плотная корреляционная связь с наработкой, которая сохраняет тенденцию к «лидерству» вплоть до отказа двигателя. В последних 20 циклах практически пропадают прочие связи, вибрационные характеристики определяются только наработкой. Таким образом, анализ иерархий связей позволяет говорить о наличии, по крайней мере, трех сигналов о неисправном состоянии двигателя.
Подобные иерархии получены по каждому полету для каждого параметра, контролируемого на двигателе. Данная информация в силу своей обширности трудно представима в рамках статьи, поэтому был применен метод граф-описания. Описание технического состояния двигателя с помощью структур такого типа приоритетна с той точки зрения, что объединяет геометрическую наглядность с содержательностью.
Всю совокупность связей между контролируемыми параметрами в определенный момент времени можно представить в виде графа (граф - фигура, состоящая из точек - вершин, соединенных отрезками - ребрами). Граф позволяет выделить группы параметров, коррелирующих между собой сильнее, а следовательно, определяющих один фактор.
Результаты, получаемые при построении графов, могут быть использованы:
1. Для минимизации описания совокупностью моделей диагностических параметров;
2. Для построения многофакторных моделей;
3. Для структурной адаптации диагностической модели под текущие выборки диагностических параметров и в диагностическом описании в терминах изменения иерархии моделей;
4. Для граф-описания двигателей моделями различной содержательной направленности.
Перед построением графа было принято несколько соглашений:
1. Ограничивается количество факторных переменных первого уровня. Будут показаны связи по трем факторным параметрам. В целом же, в представлении графа, можно ограничиться показом связей до второго порядка.
2. Вектор, описывающий связь, направляется от факторного признака к результативному. Так как наличие связи определенного порядка между параметром_1 и параметром_2 в зависимости вида параметр_1 = ,Р(параметр_2) не обязательно означает наличие обратной связи того же порядка, то необходимо выполнять построение исходных графов на всех возможных корнях
- параметрах из множества регистрируемых.
3. Порядок связи в иерархии будет обозначаться векторами вида рис. 4.
Рис. 4. Обозначения при построении графов (веса, раскраска дуг)
На рис. 5 представлен вид графа связей, типичного для первых 30 полетов рассматриваемого двигателя (циклы с 530 по 510). На рис. 6 - граф связей, характерный для предотказового состояния рассматриваемого экземпляра двигателя (циклы с 25 по 1).
Рис. 5. Граф связей диагностических параметров, регистрируемых на взлетном режиме ТРДД типа ПС-90А. Полеты 530-510 до обнаружения неисправности
Рис. 6. Граф связей диагностических параметров, регистрируемых на взлетном режиме ТРДД типа ПС-90А. Полеты 25-1 до обнаружения неисправности
Данные граф-описания, приведенного на рис. 6, свидетельствуют о том, что практически изменение всех параметров вибрации определяется переменной - «наработка». Техническое состояние двигателя - неисправен.
Сравнение результатов анализа параметрической информации по методике системы «Диагноз-90» и методом иерархий позволяет сделать следующий вывод.
Методика наземной диагностической системы «Диагноз-90» имеет ряд методических недостатков, недостаточно эффективно использует получаемую с двигателя информацию и слабо реагирует на развивающиеся неисправности.
Метод иерархий обладает более гибким алгоритмом, позволяющим ему динамически отслеживать текущее состояние объекта диагностирования, что, в конечном счете, позволило получить сигнал о неисправном состоянии двигателя, по крайней мере, за 20 полетов до ее физического обнаружения (типично и для прочих случаев развития неисправности). Это подтверждает целесообразность применения метода иерархий для диагностирования вибрационного состояния двигателя типа ПС-90А.
Результаты, полученные для ряда прочих характерных неисправностей двигателей типа ПС-90А, также подтверждают целесообразность применения метода иерархий для диагностирования вибрационного состояния двигателя типа ПС-90А.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бюллетень № 94148-БЭ-Г изделие: Двигатель ПС-90А По вопросу: Внедрения в эксплуатацию 2-й очереди наземной автоматизированной системы диагностирования «АСД-Диагноз-90» двигателя ПС-90А на самолете Ил-96-300.-Пермь, 1996.
2. Ефимова М.Р., Рябцев В.М. Общая теория статистики. -М.: Финансы и статистика, 1991.
3. Информационный бюллетень №8(А). Эксплуатация ПС-90А. - ОАО «Пермский Моторный Завод», декабрь 2004 г.
4. Чичков Б. А. Методология оптимизации статистических диагностических моделей авиационных ГТД для установившихся режимов работы. Монография. -М.: МГТУ ГА, 2001.
ENGINES TYPE PS-90A TREND-MONITORING ON PARAMETERS OF THE VIBRATIONS
Chichkov B.A., Sokolov M.P.
In the article is shown efficiency of the use the method of parameter’s hierarchy for analysis of diagnostic information.
Сведения об авторах
Чичков Борис Анатольевич, 1969 г.р., окончил МИИ ГА (1993), доктор технических наук, профессор кафедры двигателей летательных аппаратов МГТУ ГА, автор монографии, более 40 научных работ, область научных интересов — модели систем, параметрическая диагностика авиационных двигателей в эксплуатации.
Соколов Максим Павлович, 1981 г.р., окончил МГТУ ГА (2005), аспирант кафедры двигателей летательных аппаратов МГТУ ГА, область научных интересов - диагностика авиационных двигателей по регистрируемым параметрам.
