автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Разработка методов бесконтактной лазерной диагностики авиационных ГТД на основе анализа сигналов вибрации в широкой полосе частот

На правах рукописи

ОЗЕРОВ АНДРЕИ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ БЕСКОНТАКТНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ДИАГНОСТИКИ АВИАЦИОННЫХ ГТД НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА СИГНАЛОВ ВИБРАЦИИ В ШИРОКОЙ ПОЛОСЕ ЧАСТОТ

Специальность 05.22.14 - Эксплуатация воздушного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

- 9 пс и

Санкт-Петербург 2010

004616637

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургском государственном университете гражданской авиации» на кафедре «Диагностика и неразрушающий контроль технических систем»

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор технических наук, старший научный сотрудник Ушаков Андрей Павлович

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук, профессор Пивоваров В. А. кандидат технических наук Соколова А. Г.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Санкт-Петербургский Государственный Политехнический университет

Защита состоится «

2010 года в

часов на заседании

Диссертационного совета д.223.012.01 при Санкт-Петербургском государственном университете гражданской авиации по адресу: 196210, Санкт-Петербург, ул. Пилотов, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПб ГУ ГА Автореферат разослан « ^¿¿¿^¿^ь^ 20ЮГода.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д.223.012.01 Док юр ф|Пнко-ма 1ем;п пчеекпх паук, профессор

Чеппга Н.1-:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Авиационный газотурбинный двигатель (ГТД) является одним из основных частей современного воздушного судна (ВС). Он представляет собой сложную техническую систему, в состав которой входит большое количество взаимосвязанных элементов. От надёжности функционирования ГТД напрямую зависит безопасность полётов ВС.

Одним из методов повышения безопасности полётов является постоянный контроль технического состояния ГТД. Это обеспечивается комплексом методов технической диагностики, к числу которых относятся: контроль состояния проточной части двигателей с помощью оптико-измерительных приборов; контроль содержания продуктов износа узлов трения в работающем масле; параметрическая диагностика; анализ трендов низкочастотной вибрации.

В настоящее время осуществляется переход от обслуживания ВС по фиксированному ресурсу к обслуживанию по техническому состоянию. Для полномерного перехода к данной системе ТО необходима такая система технического диагностирования ВС и ГТД, при которой будет возможно осуществить идентификацию неисправности с точностью до узла и контролировать степень её развития в процессе наработки. Это в свою очередь предъявляет требование обеспечения высокой динамичности системы технической диагностики ГТД.

Под динамичностью системы в данном случае подразумевается быстрота, с которой система реагирует на внешние возмущающие факторы. В качестве возмущающих факторов выступают различные неисправности ГТД. Требование динамичности может быть обеспечено комплексным сочетанием методов и средств технического диагностирования. Необходимость привлечения нескольких методов диагностирования продиктована высокой сложностью ГТД как объекта контроля, в котором могут возникать неисправности механического, аэродинамического и параметрического характера.

Современные бортовые системы вибродиагностики не используют богатый потенциал вибросигналов на высоких частотах, производя измерение вибрации только в диапазоне рабочих частот вращения роторов. Это в свою очередь снижает диагностический потенциал метода, так как зарождающиеся дефекты находят отклик, в первую очередь в высокочастотной области сигнала вибрации. По мере развития дефекта изменяется степень его влияния на общий сигнал вибрации двигателя, но только очень опасные дефекты могут повлиять на низкочастотную область вибрации, при появлении которых эксплуатацию двигателя необходимо прекращать.

В этой связи представляется перспективным внедрение методов вибродиагностики ГТД в процессе наземного запуска, основанных на анализе широкополосных сигналов вибрации для диагностирования технического состояния механических узлов ГТД.

Применение метода анализа широкополосных сигналов в авиации затрудняется необходимостью измерения сигналов вибрации с высокой точностью - без искажений, что практически невозможно при традиционных схемах измерения с пьезоэлектрическими датчиками. Дело в том, что конструкция со-

временных двигателей отечественного производства позволяет производить замер вибрации только на поверхности внешних корпусов, что предъявляет к средствам измерения широкополосного сигнала требование высокой чувствительности к слабым сигналам ввиду значительного затухания сигналов при распространении по конструкции и двигателя.

Эта проблема решается проще в случае применения лазерных бесконтактных устройств съёма сигналов вибрации в качестве источников первичной информации-

Задачи исследования. Целью диссертационной работы явилась разработка методов бесконтактной лазерной диагностики авиационных ГТД на основе анализа сигналов вибрации в широкой полосе частот.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:

- разработана методика бесконтактного измерения вибрации основных узлов ГТД в полевых условиях в составе ВС (самолётов и вертолётов), а также в процессе испытаний на заводских стендах;

- на основе экспериментальных исследований, как в полевых, так и в стендовых условиях определены пороговые значения глубин модуляции, соответствующие слабым, средним и сильным дефектам.

- выявлены наиболее информативные области на корпусах ГТД, вибрация которых содержит информацию о развитии дефектов, в том числе и на ранней стадии;

- определены мешающие факторы (помехи), искажающие информативные сигналы вибрации и разработаны меры по отстройке от этих факторов;

- исследована информативность измерений в диапазонах низких, средних и высоких частот.

Объектом исследования являются виброакустические характеристики ГТД и агрегатов ВС в виде широкополосных сигналов вибрации, измеренные с помощью бесконтактного лазерного вибропреобразователя.

Методы исследования. Основу выполненных в диссертационной работе исследований составляет теория сигналов и цепей, спектральный анализ сигналов и их высокочастотных огибающих, теория случайных процессов и колебаний, цифровая обработка и анализ сложных сигналов.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

1. Метод бесконтактного выявления дефектов функционирования систем автоматики запуска и регулирования оборотов агрегатов ГТД, а также конструктивных резонансов основных узлов системы ГТД - воздушное судно с помощью анализа вибрационных сигналов, измеренных на нестационарных режимах (разгон — выбег, приёмистость) на основе трёхмерного спектрального • анализа сигналов вибрации.

2. Метод оценки степени развития дефектов авиационных двигателей по результатам анализа высокочастотных сигналов вибрации, основанный на программном расчёте глубины амплитудной и индекса угловой модуляции в процессе цифровой обработки сигналов, измеренных с использованием лазерного виброметра.

3. Методика бесконтактного измерения вибрации основных узлов ГТД в составе ВС (самолётов и вертолётов) при наземном запуске и при испытаниях ГТД на заводских стендах.

4. Методика определения аэродинамических и механических источников энергии возмущающих сил, действующих внутри ГТД, основанная на анализе конструктивных схем двигателей и расчёте детерминированных составляющих с целью определения и локализации источников вибрации.

5. Результаты анализа трендовых характеристик вибрации в высокочастотном диапазоне.

Научная новизна результатов диссертационной работы.

1. Метод выявления дефектов функционирования агрегатов ГТД и конструктивных резонансов основных узлов системы «ГТД - воздушное судно», основанный на анализе вибрационных сигналов, измеренных на нестационарных режимах (разгон - выбег, приёмистость), с использованием алгоритма трёхмерного спектрального анализа, отличается от применяемого в настоящее время метода контроля вибрации ГТД тем, что, за счёт новых алгоритмов позволяет с высокой степенью точности определять параметры переходных процессов ГТД и агрегатов; выявлять резонансные режимы работы ГТД.

2. Метод оценки степени развития дефектов авиационных двигателей, основанный на анализе высокочастотных сигналов вибрации с обеспечением программных расчётов глубины амплитудной и индекса угловой модуляции в процессе цифровой обработки сигналов лазерного вибропреобразователя, отличается от прототипов тем, что не требуется определение базисного («чистового») значения параметра, относительно которого производится оценка изменения технического состояния диагностируемого узла.

3. Инженерная методика помехозащищенного бесконтактного измерения вибрации основных узлов ГТД в процессе наземного запуска в составе ВС (самолётов и вертолётов), а также в процессе испытаний на заводских стендах отличается от существующей методики контактного измерения с помощью пьезоэлектрических датчиков вибрации тем, что обеспечивается повышение чувствительности контроля за счёт снижения уровня помех, устранения эффекта присоединённой массы и установочного резонанса, и обеспечивается бесконтактное измерение вибрации в непосредственной близости от контролируемого узла.

4. Методика определения аэродинамических и механических источников энергии возмущающих сил, действующих внутри ГТД, позволяет определять и локализовать развивающиеся дефекты и отличается от современной методики определения источников вибрации ГТД тем, что учитываются не только низкочастотные компоненты, но и все основные частоты спектра сигнала вибрации в точке измерения.

5. Использование трендовых характеристик вибрации в высокочастотном диапазоне позволяет повысить надёжность выявления дефектов на различных стадиях развития и осуществить техническое обслуживание ГТД по состоянию. В отличие от современной системы мониторинга, основанной на анализе трендов общего уровня низкочастотной вибрации и уровня вибрации ро-

торных гармоник, предложенные модели трендов обеспечивают дополнительные возможности отслеживания развития зарождающихся дефектов задолго до того, как они проявят себя в низкочастотном диапазоне вибрации.

6. Широкий диапазон частот исследуемых сигналов вибрации ГТД (1 -50 кГц), измеренных лазерным вибропреобразователем, что в несколько раз превышает диапазон сигналов, измеряемых пьезоэлектрическим датчиком вибрации.

Достоверность проведённых исследований обусловлена многократностью измерений на различных типах ГТД, тщательностью обработки данных, преимуществами бесконтактного измерения вибрации с помощью лазерного вибропреобразователя.

Практическая ценность.

1. Применение диагностических данных, полученных с помощью лазерных вибропреобразователей, в комплексе с существующими методами технической диагностики ГТД позволяет повысить безопасность полётов и осуществить переход к обслуживанию ГТД по техническому состоянию.

2. Разработанная методика бесконтактных синхронных измерений диагностических сигналов в характерных точках ГТД с использованием лазерного виброметра позволяет за несколько минут работы ГТД (при наличии 3-4 лазеров) получить бесконтактным способом непосредственно на поле аэродрома необходимый объём диагностической информации для оценки технического состояния ГТД.

3. Измерение параметров переходных процессов ГТД и агрегатов, полученных с помощью трёхмерного спектрального анализа сигналов вибрации, позволяет произвести оценку качества функционирования автоматики, регулирующей данные процессы, а также, выявить область критических частот вращения роторов.

4. На основе предложенного подхода определяются более достоверно информативные с точки зрения лазерной вибродиагностики режимы работы ГТД.

5. Лазерный виброметр позволяет проводить измерения виброскорости поверхности корпусов ГТД в диапазоне частот от 1 Гц до 50 кГц с высокой степенью точности, подтверждённой экспериментально, что ранее было недостижимо.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1. XXXIX Научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных (Санкт Петербург, Университет ГА, 20 - 26 апреля 2007).

2. Международная молодёжная научная конференция «XVI Туполев-ские чтения» (Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 28 - 29 мая 2008).

3. ХЫ Научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных (Санкт-Петербург, Университет ГА, 20 - 29 апреля 2009).

4. Всероссийская молодёжная научная конференция с международным участием «X Королёвские чтения» (Самара, СГАУ им. С.П. Королёва, 6-8 октября 2009).

5. Научно - технический отчёт «Оценка технического состояния КСА - ЗЗМ с использованием лазерного виброметра с идентификацией источников вибрации на основе оценки глубины модуляции». Университет ГА. СПб.,2008.

6. Научно - технический отчёт «Исследование возможности оценки технического состояния узлов газотурбинных двигателей воздушных судов при наземных запусках с использованием лазерного виброметра». Университет ГА. СПб.,2008.

Реализация полученных результатов исследований. Предложенная методика диагностики технического состояния ГТД и агрегатов ВС, прошла апробацию на ТРДД Д-ЗОКУ-154, АИ-25, ПС-90А; ТВаД ТВ2-117, ТВЗ-117; агрегатах ВС и СУ. Подтверждение результатов теоретических исследований произведено с помощью анализа обширных экспериментальных данных, полученных в процессе заводских стендовых испытаний узлов ГТД (на испытательных стендах ОАО «Климов»), а также полевых работ на самолётах Ту-154М и ТУ-214, вертолётах Ми-8Т и Ми-8МТВ.

Результаты исследований и разработанная методика были использованы в процессе договорной работы по диагностике коробки самолётных агрегатов (КСА) ВС спецприменения на испытательном стенде ОАО «Климов» и внедрены в учебный процесс СПбГУГА.

Публикации. По материалам диссертационных исследований автором опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 печатные работы, включены в Перечень научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы результаты диссертационных исследований в соответствии с требованиями ВАК.

Структура и объём. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 155 страниц машинописного текста, 85 рисунков, библиографию из 53 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, определена цель и задачи диссертации, сформулирована научная новизна и практическая значимость работы. Проанализированы необходимые условия для перехода к техническому обслуживанию по техническому состоянию с одновременным повышением безопасности полётов. Сделан вывод о необходимости внедрения в связи с этим надёжной системы технического диагностирования, основанной на методах и средствах раннего обнаружения дефектов в узлах ГТД. Показано, что одним из таких перспективных методов является диагностирование с использованием бесконтактных лазерных вибродатчиков и цифровых методов анализа сигнала вибрации, генерируемого двигателем.

В первой главе проведён анализ современных подходов к вибродиагностированию авиационных ГТД и агрегатов ВС. На сегодняшний день применение методов вибродиагностики ограничивается использованием данных только низкочастотной части сигнала вибрации. Прогноз строится на основе данных измерения общего уровня в полосе частот не превышающей 300 Гц. Только

сильные и развитые дефекты могут внести изменения в общий уровень на данных частотах. При этом практически не используется диагностический потенциал области высоких частот, анализ которого позволяет значительно расширить диагностическую способность метода, так как содержит составляющие вибросигнала, генерируемые всеми подвижными элементами ГТД.

В главе объяснены преимущества бесконтактного лазерного вибропреобразователя в сравнении с пьезоэлектрическим. Показано, что применение лазерного виброметра для измерения вибрации ГТД и агрегатов ВС в наземных условиях в составе ВС и на стендовых испытаниях позволит значительно расширить возможности вибродиагностического метода системы технического диагностирования. Лазерные виброметры представляют собой измерители скорости вибрации, работающие на эффекте Доплера, и позволяющие улавливать малейшие виброперемещения корпуса ОК. В отличие от стандартных пьезоэлектрических вибродатчиков, лазерные виброметры не нуждаются в точке крепления на ОК, а позволяют снимать информативный вибросигнал на расстоянии до 5м (согласно характеристике лазера, применённого автором) от ОК. Следовательно, лазерные вибропреобразователи не имеют установочного и волнового резонанса, а также могут быть использованы для контроля технического состояния высокотемпературных узлов ГТД.

Таким образом, использование лазерных вибропреобразователей в качестве источника первичной информации в портативных системах вибродиагностики авиационных ГТД позволяет повысить чувствительность и оперативность контроля технического состояния.

Во второй главе показано, что наиболее эффективными алгоритмами для оценки технического состояния ГТД являются математический аппарат быстрого преобразования Фурье (БПФ), анализ огибающей сигнала вибрации в выбранной полосе частот с помощью преобразования Гильберта, анализ дважды демодулированного процесса.

В современных приборах для анализа сигналов вибрации используется БПФ, позволяющее сократить время получения амплитудных спектров сигналов (а, следовательно, и время анализа) с помощью прореживания дискретного сигнала по времени или частоте.

Использование цифровых анализаторов для записи и обработки сигналов вибрации позволяет повысить достоверность контроля ввиду возможности непрерывного наблюдения за качеством записываемого сигнала в процессе записи.

В главе проанализирован и обоснован основной алгоритм обработки сигналов вибрации, получаемых с помощью бесконтактных лазерных вибропреобразователей. Он состоит из записи и анализа первичной формы сигнала, которая позволяет определить качество записи и некоторые дефекты контролируе-" мого узла, такие как биения, удары, нелинейное взаимодействие и т.д., возникающие при работе механизма.

Следующим важным шагом является расчёт амплитудного спектра сигнала вибрации с целью определения вклада каждой отдельной гармоники в общий ' сигнал.

Наиболее сложным и эффективным является анализ высокочастотной огибающей сигнала вибрации. В главе показано, что при диагностике авиационных ГТД приходится производить анализ огибающей несколькими способами, продиктованными высокой спектральной плотностью сигналов вибрации и особенностями проявления дефектов в диагностируемых узлах:

- анализ огибающей высокочастотного шума (необходим для диагностики дефектов потокосоздающих систем и подшипников качения);

- анализ огибающей сигнала в окрестности дискретных составляющих (необходим для диагностики зубчатых соединений и лопаточных аппаратов);

- анализ огибающей дважды демодулированного процесса (необходимый, например, для обнаружения дефектов подшипников редукторных узлой на фоне превышающих помех от вибрации зубчатых зацеплений).

На основе экспериментальных данных показано соответствие теоретических законов формирования сигналов при наличии различных дефектов с практическими данными.

Основными признаками дефектов являются следующие виды модуляции.

1. Модуляция периодической несущей периодическим модулирующим сигналом:

где x(t) — результирующий сигнал с амплитудной модуляцией; Ао - амплитуда несущего сигнала; (оо — частота несущего сигнала, фо — начальная фаза несущего сигнала; Clk - частота модулирующего сигнала; Ток - начальная фаза модулирующего сигнала; шк - коэффициент глубины модуляции; (5 = тп(Ц(/соп -индекс угловой модуляции, Дсйо = тГ1Оо - девиация частоты.

щем виде:

Здесь 5„(тн) - функции Бесселя первого рода п - го порядка от Шч, п = 1, 2, ... В качестве примера на рис.1, 2 приведены прямой спектр и спектр огибающей вибрации КСА с сильным дефектом шлицевого соединения.

Современные методы теории аналитического сигнала позволяют выделить (демодулировать) из колебательного процесса его мгновенную амплитуду, фазу и частоту. Для получения этих мгновенных функций необходимо с помощью интегрального преобразования Гильберта преобразовать исходный процесс х(0 в сопряжённый процесс лт(1):

*(0= Z Аоi 1 + X mk cos ^ot) eos (új0,< + sin coj) , (1)

к

Выражение

может быть представлено в следую-

(3)

где s(t) - огибающая сигнала x(t).

Диагностирование различных узлов ГТД и агрегатов ВС с оценкой степени развития дефекта осуществлялось с помощью спектрального анализа огибающей сигналов вибрации, полученной с использованием преобразования Гильберта.

2. Модуляция гармонической несущей шумовой составляющей:

* 0 ) = А о & + м \ 0 )]сов (ш о / + (р о ), (5)

где £,(1) - модулирующий шумовой сигнал.

УЛпПос

гарифмическом масштабе) при наличии модуляции периодической несущей периодическим процессом.

Рис.2. Спектр огибающей виброскорости КСА с признаками сильного дефекта шлицевого соединения шестерни Ъи с рессорой насоса НП-115 (глубина модуляции на частоте шлицевого соединения (1594 Гц) составляет 29%).

На рис.3, 4 приведены прямой спектр (с шумовыми «пьедесталами» вокруг гармоник лопаточных частот КВД) и спектр огибающей виброскорости корпуса ГТД ТВЗ-117 вертолёта Ми-8МТВ в районе второй опоры с износом лопаток последних ступеней компрессора.

3. Модуляция шумовой несущей гармоническими составляющими

х (t ) = [l + т cos (Q t + У 0 )] £ (г ) , (6)

где £,(/) - модулируемый шумовой сигнал.

Для примера на рис.5 представлен спектр огибающей виброскорости корпуса соединения ГТД ТВ2-117 с редуктором ВР-8 вертолёта Ми-8Т с дефектом перекоса соединяемых валов (в спектре преобладает вторая гармоника ротора свободной турбины). Для построения спектра использовалась высокочастотная шумовая область сигнала вибрации.

Рис.3. Прямой спектр виброскорости корпуса ГТД ТВЗ-117 в районе второй

опоры.

Рис.4. Спектр огибающей виброскорости корпуса ГТД ТВЗ-117 в районе второй опоры. На графике виден подъём фонового уровня вибрации на сравнительно низких частотах.

Рис.5. Спектр огибающей узла привода редуктора ВР-8А, при перекосе осей шлицевой рессоры и входного вала редуктора.

4.Смешанная модуляция:

*(0 = А К1 + »»И£(/)Х1 + cos (Q/ + ))]cos (ay + ), (7)

где m« и да> — глубины модуляции для шумового и гармонического модулирующих сигналов соответственно (см. график на рис.2).

Проанализированы различные схемы авиационных ГТД с точки зрения приспособленности их к лазерной вибродиагностике. Приводится объяснение выбора наиболее информативных точек измерения вибрации на наружном корпусе ГТД. Даётся описание методики измерения вибрации ГТД в составе ВС при наземном запуске.

Рассмотрение результатов испытаний показало, что наиболее информативным для оценки общего состояния АД в составе ВС при наземных запусках (роторных, лопаточных и подшипниковых узлов) является режим малого газа. На этом режиме снижаются помехи от вибрации, вызванной рабочим процессом (аэродинамической составляющей и составляющей, обусловленной процессом горения в камере сгорания).

Выбор такой методики испытаний позволяет улучшить соотношение сигнал / шум.

Диагностирование зубчатых и шлицевых соединений при наземных запусках в составе ВС и в стендовых условиях производилось при кратковременной работе АД и других узлов силовой установки ВС на повышенных режимах. На переменных режимах работы выявлялись интенсивные резонансные колебания конструкции и узлов АД.

В процессе проведения виброизмерений на двухконтурных ГТД Д-30КУ-154, АИ-25 и ПС-90А автором диссертации были выявлены наиболее информативные точки на корпусе. Для ДТРД такими точками являются корпус входного направляющего аппарата, разделительный корпус, корпус задней опоры

турбины, коробки приводов. Исследования показали, что даже при наличии второго контура, делающего невозможным прямое измерение вибрации в поясе второй опоры компрессора высокого давления (КВД), обеспечивается возможность диагностирования данного узла по компонентам вибрации последних ступеней КВД, измеренных на разделительном корпусе.

В условиях эксплуатации подобный контроль вибрации даёт гораздо более полную картину внутреннего состояния двигателя. По изменению уровня вибрации отдельных компонент (а также и компонент спектра огибающей высокочастотной вибрации) можно судить об изменении технического состояния двигателя и правильно определить узел, в котором происходят эти изменения, что является практически невозможным при использовании бортовых систем виброконтроля (и это при условии модульности конструкции современных ГТД.

Вертолётные ГТД имеют значительную степень приспособленности к диагностированию портативными средствами вибродиагностики. Это связано с их конструктивной схемой. Основной отличительной особенностью вертолётных ГТД является их одноконтурная схема. При такой схеме наружный корпус воспринимает все нагрузки от внутренних частей двигателя и находится в зоне прямой видимости наблюдателя.

Несмотря на удобную для проведения виброакустической диагностики конструктивную схему вертолётных ГТД, встаёт необходимость определения точек для замера сигнала вибрации. При такой схеме измерения (последовательный съём вибросигнала от точки к точке) демпфирующие свойства конструкции двигателя является положительным фактором, приводя к затуханию сигналов вибрации, идущих от соседних агрегатов. Это уменьшает взаимную корреляцию между точками измерения вибрации.

В процессе измерений при наземном контроле самолётных двигателей лазерный виброметр располагался на штативе напротив информативных точек корпуса двигателя (рис.6).

При диагностировании вертолётных ГТД виброметр располагался на штативе, прикреплённом к створкам капотов мотогондол.

Наиболее информативными точками для замера вибрации на корпусе двигателей ТВ2-117 и ТВЗ-117 являются корпус первой опоры, кольцо наружной обоймы выходного спрямляющего аппарата компрессора, корпус соплового аппарата третьей ступени турбины, корпус четвёртой и пятой опор.

В главе показано, что применение только одного лазерного вибропреобразователя позволяет в течении нескольких минут произвести запись сигналов вибрации во всех информативных точках, ввиду отсутствия необходимости его крепления к корпусу ГТД, что повышает достоверность и оперативность постановки диагноза.

В третьей главе приведены результаты по диагностике ГТД с помощью анализа сигналов вибрации в области низких частот, проведён анализ основных источников вибрации в данном диапазоне частот. Основной вклад в низкочастотную вибрацию ГТД вносят роторы ГТД и приводные агрегаты.

Рис.6. Вариант расположения лазерных виброметров при диагностике АД в составе ВС.

Показано, что применение портативной системы вибродиагностики на основе лазерного вибропреобразователя позволяет оценить вибросостояние роторов авиационных ГТД и приводных агрегатов. Это является ценным результатом ввиду того, что бортовые системы контроля вибрации большинства ВС отечественного производства не позволяют определять вибрацию на гармониках частот вращения роторов и агрегатов, а выдают только общий её уровень в полосе частот вращения роторов. Кроме того, вибрация агрегатов (и даже вспомогательных силовых установок (ВСУ)) не контролируется вообще, что делает применение лазера эффективным с целью оперативного контроля технического состояния по параметрам вибрации. Для примера, на рис.7 представлен прямой спектр вибрации, измеренный на задней коробке приводов (ЗКП) ТРДД Д-ЗОКУ-154 при работе двигателя на режиме 0,7Ы, выявляющий повышенную вибрацию на частоте вращения ротора гидронасоса НП-89Д (32 мм/с при нормальном уровне 3-5 мм/с) при совпадении её с частотой вращения ротора низкого давления.

В главе обоснована необходимость и эффективность применения портативной системы лазерной вибродиагностики на основе лазерного виброметра для диагностики технического состояния авиационных турбохолодильников. Это связано с тем, что турбохолодильники часто выходят из строя по причине отказа подшипниковых узлов, после чего они становятся неремонтопригодными. Контроль вибрации турбохолодильников в области низких частот позволяет определять вибросостояние ротора и, следовательно, производить оценку нагрузки подшипников с целью предупреждения их преждевременного разрушения. Для примера на рис.8 приведён низкочастотный спектр вибрации турбохо-лодильника 3318 самолёта Ту-154М.

УЛпПм

Рис.8. НЧ спектр вибрации корпуса турбины турбохолодильника 3318.

Обоснована эффективность применения трёхмерного спектрального анализа для определения частот резонансных колебаний при работе ГТД на переменных режимах (запуск, приёмистость, останов). Также использование разновидностей трёхмерного спектрального анализа позволяет контролировать динамику работы систем автоматического регулирования по вибрации ротора, контролируемого ими агрегата.

На рис. 9 представлен трёхмерный спектр вибрации второй опоры ГТД ТВЗ-117ВМ с наличием резонанса (виброскорость достигает величины 25 мм/с)

на частоте 14,4 Гц, измеренный в процессе запуска двигателя. Данный резонанс объясняется прохождением критической скорости вращения вертикального вала редуктора ВР-14, образующего входное звено третьей (планетарной) ступени редукции. Благодаря такому анализу установлено, что режимы работы, при которых частота вращения несущего винта вертолёта Ми-8МТВ соответствует по указателю значениям 41 - 45 % является опасной с точки зрения воздействия повышенных вибрационных нагрузок.

На рис. 10 приведён двухмерный спектр (который является результатом вычисления трёхмерного спектра) вибрации разделительного корпуса ТРДД АИ-25 в процессе запуска, показывающий запаздывание розжига камеры сгорания ввиду наличия зоны практического постоянства частоты вращения ротора каскада высокого давления (65-70с) в процессе раскрутки (зависание).

Также в главе показана эффективность применения метода расчёта СКЗ виброскорости в информативной полосе частот для поиска резонансных колебаний и определения режимов, на которых они возникают. В процессе испытаний коробки самолётных агрегатов КСА были выявлены интенсивные резонансные колебания (см. рис. 11). Для этого был использован алгоритм вычисления СКЗ вибрации в полосе частот сопряжения основного зубчатого перебора. Эти колебания были устранены путём повышения жёсткости опорных конструкций (рис. 12). Из сопоставления графиков видно, что СКЗ виброскорости снизилось на резонансных частотах в среднем в три раза (с 47 мм/с до 15 мм/с). Резонансы возникали при работе КСА на оборотах 70% и 90%.

Следовательно, применение лазерного вибропреобразователя позволяет не только определять источники вибрации в области высоких частот, но и оперативно оценивать работу систем автоматики ГТД (например, автоматики запуска или поддержания частоты вращения (например, как показано в диссертационной работе, функционирование регулятора РППО-ЗОК поддержания частоты вращения генератора ГТ-40ПЧ6 ТРДД Д-ЗОКУ-154).

Рис.10. График зависимости оборотов РВД (Гц) от времени (сек.) ТРДД АИ-25 с запаздыванием по розжигу камеры сгорания.

Рис.11. Резонансные колебания корпуса КСА-33.

Применение лазерного вибропреобразователя для диагностики динамических свойств ГТД в области низких частот показало эффективность этого способа, тем самым расширяя область возможного применения разрабатываемой в диссертационной работе системы диагностики ГТД по данным широкополосного анализа сигналов вибрации. Это обеспечивает значительное расширение диагностического потенциала современной системы технической диагностики авиационных ГТД.

'Л'тПа'.

Рис.12, Устранение резонансных колебаний после выполнения доработок.

В четвёртой главе обосновывается эффективность использования высокочастотной части сигнала вибрации авиационных ГТД. Это связано с двумя. причинами: высокой спектральной плотностью (а, следовательно и информативностью) сигнала вибрации ГТД в области высоких частот; отсутствием у лазерного вибропреобразователя недостатков, свойственных пьезоэлектрическим датчикам (например, необходимость крепления к корпусу ГТД, установочный резонанс, волновой резонанс пьезоэлемента).

Использование широкополосного спектрального анализа сигналов позволяет диагностировать техническое состояние ГТД на основе изменения состава спектра и спектра огибающей высокочастотной части сигнала. Сравнение спектров вибрации ГТД также позволяет производить оценку качества сборки при ремонте или изготовлении.

Для примера, на рис.2 и 13 представлены спектры вибрации КСА на максимальном режиме работы при развитии дефекта в шлицевом соединении приводной шестерни с валиком гидронасоса. На рис.13 представлен спектр бездефектного механизма. Как видно, спектры вибрации существенно изменяются при появлении данного дефекта. Появляются боковые модуляционные составляющие в окрестностях частоты пересопряжения зубьев шестерен (5600 Гц) и её высокочастотных гармоник, связанные с крутильными колебаниями в шлицевом соединении шестерни Ъ51 с рессорой приводного гидронасоса; появлением виброимпульсов от ударов при перекладке зубьев шлицов.

Анализ модуляционных процессов (рис. 15), сопровождающих развитие дефекта шлицевого соединения, Может быть выполнен с помощью модели, в которой периодическая несущая с частотой зацепления зубьев шестерен модулируется периодическим процессом от ударов при перекладке зубьев шлицев: Рк = ± (г„ - к2)], (8) /

где ^/-порядковый номер гармоники частоты зацепления зубьев шестерни 257;

2к - число зубьев этой шестерни; А>= 4. Это число зубьев шлицов, которые в данный момент времени попадают в плоскость перекоса и не приводят к соударению зубьев из-за отсутствия люфта; 2шл -общее число шлиц шлицевого соединения.

Выявление дефектных узлов производилось по анализу появления модуляционных компонент в прямом спектре вибрации, а также по спектру огибающей в полосе, содержащей несущую частоту, с оценкой степени развития дефектов по глубине модуляции (рис.13).

Рис.13. Спектр вибрации при отсутствии дефектов шлицов.

Рис. 15. Спектр огибающей на стадии максимального износа зубьев (т = 32%).

Частота модулирующего колебания, идентифицируемого справа, равняется Гвр(2шл — 4), т.е. порядка 1600 Гц. Это связано с резонансными колеба-

ниями консольного корпуса насоса, возбуждаемого повышенной вибрацией правого генератора на частоте вращения. При этом возникают колебания насоса как консольной балки, приводящие к знакопеременному перекосу шлицевого соединения, которые, в сочетании с крутильными колебаниями рессоры, и приводят к агрессивному износу шлицов шестерни.

Такой ход развития дефекта объясняется изменением величины износа шлицов. В процессе испытаний производилась разборка узла шлицевого соединения (снимался гидронасос). На рис. 16 представлены фотографии изношенных шлицов шестерни 2,51 при развитом износе (рис.16 левая фотография) и в конце испытаний.

Рис.16. Дефектные шлицы шестерни 251 привода гидронасоса, (слева - при глубине модуляции ш = 24%; справа - в конце испытаний).

Видно, что к концу испытаний износ шлицевого соединения практически достиг 100% величины. Снижение глубины модуляции после 262 часа работы в процессе испытаний объясняется уменьшением импульсов от ударов в шлице-вом соединении по мере износа шлицов (уменьшение влияния искажённой формы шлицов ввиду практически полного их износа). На конечной стадии износа крутящий момент, по-видимому, передавался на насос путём зацепления шлицов валика привода насоса за впадины между срезанными шлицами шестерни 251. Таким образом, кривая изменения величины глубины модуляции от времени имеет экстремум, после которого она снижается. Применение лазера в процессе периодических обследований позволяет непрерывно отслеживать изменение глубины модуляции, что обеспечивает необходимую эффективность диагностики.

Также в главе показана необходимость применения двойной демодуляции колебаний с целью диагностирования развития дефектов «слабошумящих» узлов (например, подшипников). В процессе проведения диагностических работ на КСА-ЗЗМ был также использован метод двойной демодуляции колебаний

(рис.17), что позволило выявить дефект одного из подшипников, подтвердившийся при разборке коробки. В спектре огибающей преобладают подшипниковые частоты: частота вращения внутреннего кольца и кратные гармоники: Рвр,=86.Гц, 2Рер,= 172Гц, частота перекатывания тел качения Ртк,= 262Гц и другие комбинационные частоты, свидетельствующие об износе внутреннего кольца и дефектах на телах качения подшипника.

\Vinnoc

подшипника.

Следует отметить, что применение бесконтактного лазерного вибродатчика позволяет производить оценку технического состояния ГТД и агрегатов по данным анализа высокочастотной части сигналов вибрации с достаточной точностью, так-как лазер не искажает структуру сигнала и позволяет произвести измерение вибрации в точках, расположенных в непосредственной близости от диагностируемого узла.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Экспериментально разработан принципиально новый подход в диагностике технического состояния авиационных ГТД и агрегатов ВС, основанный на анализе в широкой полосе частот сигналов вибрации, измеренных с помощью бесконтактного лазерного вибропреобразователя.

2. Показано, что областью применения лазерной вибродиагностики являются измерения вибрации ГТД в условиях наземного запуска на различных режимах в составе ВС (например, при опробовании после очередной формы ТО) или на испытательном стенде. Анализ полученных результатов способен значительно дополнить и уточнить данные бортовых средств контроля вибрации.

3. Установлено, что наиболее эффективными методами анализа получаемых сигналов вибрации являются спектральный анализ оцифрованных сигналов и анализ спектральных составляющих огибающей сигнала вибрации в информативной полосе частот. Диагноз ставится по составу спектров сигнала и его огибающей, а также по величине глубины модуляции отдельных составляющих спектра.

4. Показано, что разработанная методика при наличии одного лазерного виброметра позволяет произвести измерение вибрации на авиационном ГТД без увеличения времени работы свыше установленного графиком наземного опробования двигателя, что является доказательством высокой экономической эффективности лазерной вибродиагностики.

5. Экспериментально выработаны пороговые значения глубины модуляции, необходимые для постановки диагноза при условии проведения измерения вибрации в непосредственной близости от диагностируемого узла. Они соответствуют ниже приведенным значениям, полученным из накопленного опыта вибродиагностики авиационных ГТД и их агрегатов в стендовых и натурных условиях с последующей разборкой и дефектацией, а именно: 10% - зарождающийся дефект, 20% -средний дефект, 30% - опасный дефект. Естественно, по мере набора статистических данных при последующей эксплуатации лазерной диагностики авиационных ГТД эти пороговые значения будут уточняться.

6. Оценка современного состояния вибродиагностики авиационных ГТД показывает, что известные системы диагностики, установленные на ВС, имеют ограниченные возможности по выявлению зарождающихся дефектов, что обусловлено узким низкочастотным диапазоном их работы. Поэтому проблема увеличения диагностической способности методов вибродиагностики авиационных ГТД представляется важной и актуальной с позиций дальнейшего повышения безопасности полётов.

7. В процессе экспериментальных исследований разработана методика проведения измерений вибрации на авиационных ДТРД и вертолётных ГТД с позиций распространения и затухания сигнала вибрации. Определены наиболее информативные для диагностирования точки корпуса двигателей различных схем. Точки для замера вибрации с помощью лазерного вибродатчика выбраны таким образом, чтобы обеспечивалось минимальное затухание сигнала вибра-

ции, генерируемого внутренними узлами двигателя. Исходя из опытных данных и конструктивных схем диагностируемых ГТД, установлено количество точек измерения вибрации, необходимое для комплексной оценки технического состояния составных модулей ГТД.

8. Анализ современного оборудования, предназначенного для контроля вибрации, и экспериментальная работа по лазерной вибродиагностике ГТД показали, что для успешной процедуры измерения (необходимо минимальное время замера в силу экономии топлива) и анализа сигналов вибрации необходимы портативные цифровые приборы с высокой частотой дискретизации входных аналоговых сигналов, поступающих с датчиков вибрации и компьютерное программное обеспечение, позволяющее проводить весь комплекс операций по работе с цифровыми сигналами.

СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК для опубликования основных научных результатов диссертаций:

1. Озеров A.B. Оценка вибросостояния авиационных газотурбинных двигателей с использованием лазерного вибродатчика // Научный вестник МГТУ ГА. Серия «Аэромеханика и прочность, поддержание лётной годности ВС». - М.:МГТУ ГА, 2008. - № 130 - С. 150-155.

2. Озеров A.B. Анализ функционирования агрегатов бортовых систем ВС методами лазерной вибрационной диагностики в наземных условиях // Научный вестник МГТУ ГА. Серия «Аэромеханика и прочность, поддержание лётной годности ВС». - М.:МГТУ ГА, 2008. - № 130 - С. 156-162.

3. Озеров A.B. Исследование возможности применения лазерного вибропреобразователя для диагностирования технического состояния вертолётных ГТД // Научный вестник МГТУ ГА. Серия «Аэромеханика и прочность, поддержание лётной годности ВС». - М.:МГТУ ГА, 2009. - № 141.- С.124-130.

4. Озеров A.B. Лазерный вибродатчик - новый шаг в развитии вибродиагностики авиационных ГТД // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. - Казань, 2009,- С.25-29.

В других изданиях:

5. Озеров A.B. Аппаратные средства анализа вибросигналов авиационных ГТД // Проблемы эксплуатации и совершенствования транспортных систем : Межвуз. тематич. сб. научн. трудов Университета ГА. Т. ХШ - СПб.: СПбГУГА, 2008. - С. 17-21.

6. Ушаков А.П., Озеров A.B., Калеменев А.Ю., Хабаров П.А. Применение лазерной вибродиагностики в процессе стендовых испытаний агрегатов авиационной техники II Проблемы эксплуатации и совершенствования транспортных систем: Межвуз. тематич. сб. научн. трудов Университета ГА. Т. XIV - СПб.: СПбГУГА, 2009. - С. 5-15.

7. Озеров A.B. Лазерный вибропреобразователь для диагностирования технического состояния авиационных ГТД // Тезисы докладов XXXIX Научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, посвященной памяти авиаконструктора И.И. Сикорского. 20 - 26 апреля 2007г. - СПб.: Университет ГА,2007.-С. 28-29.

8. Озеров A.B. Совершенствование методов вибродиагностики вертолётных ГТД // Труды Международной молодёжной научной конференции «XVI Туполевские чтения», том 3. 28 - 29 мая 2008г. - Казань: КГТУ им. А.Н. Туполева, 2008. - С. 330-332.

9. Озеров A.B. Бесконтактный лазерный вибродатчик в условиях стендовых испытаний AT // Тезисы докладов XLI Научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, посвящённой памяти авиаконструктора И.И. Сикорского. 20 - 29 апреля 2009г. - СПб.: Университет ГА, 2009. - С. 114115.

10. Озеров A.B. Совершенствование методов диагностирования авиационных ГТД путём использования бесконтактного лазерного виброметра // Труды Всероссийской молодёжной научной конференции с международным участием «X Королёвские чтения». 6-8 октября 2009г. - Самара: СГАУ им. С.П. Королёва, 2009. - С.177.

Подписано к печати 1 SjitMtO. Формат бумаги 60.\90 Vie Тираж 70, Уч.-издл. 1,5. Усл.печл. 1,5. Заказ 578.' -Тип. СПб ГУ ГА. 196210. С-Петербург, ул.Пилотов. дом 38.

Введение.

Глава 1. Современное состояние систем диагностики ГТД по параметрам вибрации.

1.1. Применение бортовых систем контроля вибрации современных ВС.

1.2. Недостатки пьезоэлектрического датчика вибрации как источника первичной информации.

1.3. Свойства и параметры лазерного вибропреобразователя.

1.4. Аппаратные средства обработки и анализа сигналов вибрации, измеренных с помощью лазерного вибропреобразователя.

Выводы по 1-й главе диссертации.

Глава 2. Теоретические основы лазерной вибродиагностики авиационных ГТД.

2.1. Принципы обработки широкополосных сигналов вибрации, получаемых с помощью бесконтактного лазерного вибропреобразователя.

2.2.Методика обработки сигналов вибрации ГТД в широкой полосе частот.

2.3 Рассмотрение возможных моделей сигналов вибрации ГТД.

2.4 Анализ конструктивных схем одноконтурных авиационных ГТД с точки зрения лазерной вибродиагностики, обоснование выбора точек измерения вибрации и методика бесконтактного измерения вибрации на вертолётах.

2.5 Анализ конструктивных схем двухконтурных двигателей и методика проведения измерений вибрации на ТРДД в составе ВС.1.

Выводы по 2-й главе диссертации.

Глава 3. Диагностирование авиационных ГТД по параметрам низкочастотной вибрации.

3.1.Источники низкочастотной вибрации ГТД.

3.2.Применение системы лазерной вибродиагностики для определения технического состояния роторной части ГТД.

3.3 Применение лазерного вибропреобразователя для диагностики технического состояния турбохолодильников.

3.4 Метод определения динамических свойств систем автоматического регулирования и переходных процессов ГТД с использованием лазерного виброметра.

3.5. Метод выявления резонансов при работе авиационных силовых установок с использованием трёхмерного спектрального анализа.

Выводы по 3-й главе диссертации.

Глава 4. Диагностирование авиационных агрегатов по параметрам высокочастотной вибрации.

4.1.Диагностирование ГТД по прямому спектру вибрации.

4.2 Применение метода диагностирования авиационных ГТД по спектру огибающей высокочастотной вибрации.

4.3. Метод выявления дефектов подшипников на фоне интенсивной вибрации редукторных узлов* ГТД.

Выводы по 4-й главе диссертации.

Актуальность темы диссертационной работы

В настоящее, время газотурбинные: двигатели« (ГТД) различных схем получили широкое распространение на транспорте и в народном хозяйстве. Массовость их внедрения« обусловлена такими показателями, как экономичность,, производительность, простота эксплуатации; возможность длительной работы при высоких показателях цикла.

Наибольшее распространение ГТД получили на авиационной технике. Они позволяют достигать значительных скоростей полёта и обладают лучшими удельными показателями на высоких; скоростях, чем поршневые двигатели.

Развитие ГТД, начиная с 30-х годов 20 века, идёт по пути увеличения параметров термодинамического цикла: температуры газов перед турбиной и степени повышения давления воздуха в компрессоре. Это в свою очередь определяет неуклонный рост нагрузок на внутренние части ГТД. Одновременно с увеличением параметров цикла конструкторы; пытаются: увеличить, назначенный ресурс двигателя; разрабатывая; новые; прогрессивные: методы его технической1 эксплуатации.

Дальнейшее увеличение; ресурса и повышение надёжности двигателей связано с переходом от обслуживания их по фиксированному ресурсу, к обслуживанию по фактическому состоянию. Система технического обслуживания ГТД по фиксированному ресурсу не учитывает различные факторы, влияющие на каждый отдельно взятый дви гатель в £ эксплуатации. Это приводит к неоправданному съёму дорогостоящих двигателей: (или их компонентов): с эксплуатации и упущенной выгоде авиапредприятий в результате недоиспользования ресурса двигателя.

С повышением удельных показателей ГТД! связано внедрение в их конструкцию новых высоконадёжных дорогостоящих материалов: При этом условии потери от недоиспользования; двигателей; при существующей; системе технического обслуживания (ТО) возрастают. В связи с этим встаёт вопрос о максимально эффективном использовании двигателей, путём обеспечения выработки им фактического ресурса.

Современные ГТД являются модульными, что является значительным шагом по пути к ТО по техническому состоянию: Переход к ТО по состоянию предполагает замену в эксплуатации съёмных узлов- (модулей).;, ресурс которых меньше назначенного. Для обеспечения? безотказности в работе замена должна быть своевременной, до наступления отказа. Поэтому необходимо знать текущее состояние двигателя и иметь прогноз на некоторый интервал времени. Это достигается методами технической диагностики.

Одним из методов технической диагностики; авиационных ГТД, используемых в настоящее время, является¡ вибродиагностика, т.е: диагностирование ' по параметрам вибрации, измеренным на объекте контроля (ОК) в процессе его функционирования. Из предыдущего опыта вибродиагностики различного оборудования известно, что вибрация является одним из наиболее динамичных параметров; т.е. изменение параметров вибрации происходит практически, синхронно с изменением внутренних динамических сил, действующих в ОК.

Высокая? динамичность, изменения параметров вибрации повышает вероятность своевременного обнаружения дефектов при работе авиационных ГТД, что является; наиболее важным, такткак напрямую связано с безопасностью полётов ВС.

В свою очередь повышение безопасности полётов в наибольшей степени определяется работоспособностью силовой установки ВС, а именно, маршевых ГТД. Поэтому получение достоверной информации о техническом состоянии двигателей ВС при переходе к обслуживанию их по техническому состоянию имеет высокое значение.

Бортовая система контроля вибрации двигателей, применяемая на современных ВС, при всей своей пользе не удовлетворяет требованию по получению диагностической информации о состоянии отдельных узлов ГТД с высокой степенью достоверности. Это связано с тем, что она работает в ограниченном частотном диапазоне и использует в качестве первичной информации ограниченное число датчиков вибрации (один или два).

Бортовые системы способны, отслеживать только значительные изменения в техническом состоянии двигателей и, иногда, промежуток времени от начала роста уровня вибрации до превышения им порогового уровня укладывается в один полёт, что требует выключения двигателя в полёте. Это резко снижает безопасность полёта воздушных судов (ВС).

Для повышения; достоверности результатов контроля вибрации и.глубины диагностирования автором данной диссертационной работы в дополнение к существующим методам техническою диагностики авиационных двигателей предлагается система вибродиагностики ГТД, основанная на широкополосном анализе сигналов* вибрацищ измеренных с помощью лазерных бесконтактных вибропреобразователей вшроцессе наземного технического обслуживания ВС.

В отличие от существующих бортовых, систем контроля^ вибрации использование данной г системы позволит производить измерение вибрации в любой точке наружного корпуса ГТД и навесных агрегатов^ Возможность, проведения^измерений непосредственно на корпусе диагностируемых узлов: ГТД значительно повышает чувствительность,контроля: ■

При анализе сигналов вибрации: широко* применяются» методы» цифровой обработки сигналов. (ЦОС). Основными? алгоритмами обработки сигналов, используемыми в диссертационной работе являются определение среднеквадра-тического значения (СКЗ) величин^ спектральный^анализ^ спектральный анализ высокочастотной огибающей сигнала вибрации.

Диагноз; ставится на основании измерения глубины амплитудной модуляции высокочастотного сигнала. Данный диагностический параметр был исследован в предыдущих работах отечественных учёных. Наибольший вклад в разработку методологии использования- алгоритмов диагностики технического состояния машин и механизмов различного назначения на основе данных вибрации внесли Сидоренко М.К., Карасёв В.А. (ЦИАМ им. I Г.И.Баранова); Балиц-кий Ф.Я., Соколова А.Г. (ИМАШ РАН); Барков А.В;, Баркова H.A. (АО

ВACT»), Ушаков А.П. (СПбГУГА), Пивоваров В.А. (МГТУ ГА) и другие учёные. Идея применения бесконтактного лазерного вибропреобразователя для диагностики технического состояния авиационных ГТД принадлежит научному руководителю автора — доктору технических наук Ушакову Андрею Павловичу.

Особенностью данной! диссертационной работы является применение алгоритмов ЦОС для анализа сигналов вибрации, измеренных бесконтактным лазерным преобразователем в процессе функционирования авиационных ГТД для повышения вероятности нахождения1 и прогнозирования развития* зарождающихся дефектов и увеличения тем-самым безопасности полётов ВС.

Увеличение вероятности обнаружения зарождающихся дефектов является необходимым, так как это позволяет сократить число отказов, относимых ранее к внезапным. Это связано с тем, что некоторые неисправности авиационных двигателей могут достаточно долго оставаться на' стадии зарождения, но потом лавинообразно переходят на финальную стадию развития, что приводит к отказу двигателя. Обнаружение дефектов на ранней стадии развития также позволяет заблаговременное планирование операций по« их устранению, что является важным в современных условиях коммерческой эксплуатации ВС. Поэтому обнаружение дефектов «ГТД именно на стадии зарождения имеет решающее значение при переходе к техническому обслуживанию ГТД по их состоянию при сохранении высокого уровня безопасности полётов ВС.

Задачи исследования

Целью диссертационной работы явилась разработка методов бесконтактной лазерной диагностики авиационных ГТД на основе анализа сигналов вибрации в широкой полосе частот.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:

- разработана методика бесконтактного измерения вибрации основных узлов ГТД в полевых условиях в составе ВС (воздушного судна), а также в процессе испытаний на заводских стендах;

- на основе экспериментальных исследований, как в полевых, так и в стендовых условиях определены, пороговые значения глубин модуляции, соответствующие слабым, средним и сильным дефектам.

- выявлены наиболее информативные области на корпусах ГТД, вибрация которых содержит информацию о развитии дефектов, в том числе и на ранней стадии;

- определены мешающие факторы (помехи), искажающие информативные сигналы вибрации и разработаны меры по отстройке от этих факторов;

- исследована информативность измерений в диапазонах низких, средних и высоких частот;

- показано, что наиболее ценная информация о зарождающихся дефектах содержится в высокочастотном диапазоне от 1 до 50 кГц;

Объектом исследования являются виброакустические характеристики ГТД и агрегатов ВС в виде широкополосных сигналов вибрации, измеренные с помощью бесконтактного лазерного вибропреобразователя.

Методы исследования >

Основу выполненных в диссертационной работе исследований составляет теория сигналов и цепей, спектральный' анализ сигналов и их высокочастотных огибающих, теория случайных процессов и колебаний, цифровая!обработка анализ сложных сигналов.

Основные научные результаты,.выносимые на защиту:

1. Метод бесконтактного выявления дефектов функционирования систем автоматики запуска и регулирования оборотов агрегатов ГТД, а также конструктивных резонансов основных узлов системы ГТД — воздушное судно с помощью анализа вибрационных сигналов, измеренных на нестационарных режимах (разгон — выбег, приёмистость) с помощью алгоритма трёхмерного спектрального анализа сигналов вибрации.

2. Метод оценки степени развития дефектов авиационных двигателей по результатам анализа высокочастотных сигналов вибрации основанный на том, что применяется программный расчёт глубины амплитудной и индекса угловой

9 ■ модуляции в процессе цифровой обработки сигналов, измеренных с использованием лазерного виброметра.

3. Методика бесконтактного измерения вибрации основных узлов ГТД в составе ВС (самолётов и вертолётов) прш наземном запуске и при; испытаниях ГТД на заводских стендах.

4. Методика определения аэродинамических и. механических источников энергии возмущающих сил, действующих внутри ГТД, основанная на анализе конструктивных схем двигателей и расчёте детерминированных составляющих с целью определения и локализации источников вибрации.

5. Результаты анализа; трендовых характеристик вибрации; в высокочастотном диапазоне.

Научная новизна

Т. Метод выявления дефектов функционирования агрегатов ГТД и конструктивных резонансов основных узлов ¡системы «ГТД — воздушное судно», основанный на анализе вибрационных сигналов; измеренных на нестационарных режимах (разгон - выбег, приёмистость)с использованием алгоритма трёхмерного спектрального анализа; отличается от применяемого в настоящее время метода контроля вибрации ГТД тем, что, за счёт новых алгоритмов ¡позволяет с высокой степенью точности определять, параметры, переходных процессов ГТД и агрегатов; выявлять резонансные режимы работы ГТД.

2. Метод оценки степени развития* дефектов авиационных двигателей, осг нованный на анализе высокочастотных сигналов вибрации-с обеспечением программных расчётов глубины амплитудной и индекса угловой модуляции в процессе цифровой ¡обработки сигналов; лазерного вибропреобразователя; отличат ется от прототипов тем, что не требуется определение базисного («чистового») значения параметра, относительно которого производится; оценка изменения технического состояния диагностируемого узла.

3. Инженерная методика помехозащищенного бесконтактного измерения вибрации основных узлов ГТД в процессе наземного запуска в составе ВС (самолётов и вертолётов), а также в процессе испытаний на заводских стендах; отличается от существующей методики контактного измерения с помощью пьезоэлектрических датчиков вибрации тем,, что обеспечивается повышение чувствительности контроля за счёт снижения уровня! помех, устранения эффекта присоединённой массы? и установочного резонанса,: и- обеспечивается бесконтактное измерение вибрации в непосредственной близости от контролируемого узла.

4. Методика определения аэродинамических и механических источников энергии возмущающих сил, действующих внутри ГТД, позволяет определять и локализовать развивающиеся дефекты и отличается: от современной методики определения щеточников вибрации ГТД тем, что учитываются не только низкочастотные компоненты, но и все основные частоты спектра'сигналам вибрации в точке измерения.

5. Использование трендовых характеристик вибрации; в высокочастотном диапазоне позволяет повысить надёжностью выявления дефектов; на различных стадиях развития и осуществить техническое обслуживание ГТД по состоянию. В отличие • от современно» системы' мониторинга, основанной на- анализе: трендов общего уровня; низкочастотной шибрации и уровня ?вибрациш роторных гармоник, предложенные модели трендов; обеспечивают дополнительные возможности отслеживания? развития зарождающихся дефектов задолго до того, как они проявят себя в низкочастотном диапазоне вибрации.

6. Широкий диапазон частот исследуемых сигналов вибрации ГТД (1 - 50 кГц), измеренных лазерным вибропреобразователем, что в несколько раз. превышает диапазон сигналов, измеряемых пьезоэлектрическим датчиком вибрации.

Достоверность проведённых исследований обусловлена многократностью измерений на различных типах ГТД; совпадением поставленного диагноза с результатами дефектации узлов в процессе: их разборки, тщательностью обработки данных, преимуществами бесконтактного измерения? вибрации с помощью лазерного вибропреобразователя.

Практическая ценность

1. Применение диагностических данных, полученных с помощью лазерных вибропреобразователей, в комплексе с существующими методами технической диагностики ГТД позволит повысить безопасность полётов и упростить переход к обслуживанию ГТД по техническому состоянию.

2. Разработанная методика бесконтактных синхронных измерений диагностических сигналов в характерных точках ГТД с использованием лазерного виброметра позволяет за несколько минут работы ГТД (при наличии 3-4 лазеров) измерить бесконтактным способом прямо на поле аэродрома необходимый объём диагностической информации для оценки технического состояния ГТД.

3. Измерение параметров переходных процессов ГТД и агрегатов, полученных с помощью трёхмерного спектрального анализа сигналов вибрации, позволяет произвести оценку качества функционирования автоматики, регулирующей данные процессы, а также, выявить область критических частот вращения роторов.

4. Определены наиболее информативные с точки, зрения лазерной вибродиагностики« режимы работы ГТД.

5. Экспериментально установлено, что- лазерный виброметр позволяет проводить измерения виброскорости поверхности корпусов ГТД в» диапазоне частот от Г Гц до 50 кГц с высокой степенью точности, что ранее было недостижимо.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1. XXXIX Научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных

Санкт Петербург, Университет ГА, 20 — 26 апреля 2007).

2. Международная молодёжная научная конференция» «XVI Туполевские чтения» (Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 28 - 29 мая 2008).

3. ХЫ Научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных

Санкт-Петербург, Университет ГА, 20 — 29 апреля 2009).

4. Всероссийская ¡молодёжная научная конференция с международным участием «X Королёвские чтения» (Самара, СГЛУ им. С.ТТ. Королёва, 6— 8 октября 2009).

5. Научно — техническийотчёт «Оценка технического состояния КС А - ЗЗМ* с использованием - лазерного виброметра с идентификацией! источников вибрации на основе оценки глубины модуляции»; Университет ГА. СПб:,2008;

6. Научно — технический отчёт «Исследование возможности^ оценки технического состояния узлов газотурбинных двигателей воздушных* судов при наземных запусках с использованием лазерного виброметра». Университет ГА. СПб.,2008.

Реализация получеиньтрезультатов исследоваииш

Предложенная методика; диагностики технического состояния ГТД3 т агрегатов ВС, прошла* апробацию на ТРДД? Д-3 ОКУ-154, АИ-25; ПС-90А; ТВаД ТВ2-117, ТВЗ-117; агрегатах ВС и СУ. Подтверждение результатов теоретических исследований произведено- с помощью анализа: обширных; эксперимен тальных данных, полученных в процессе заводских стендовых испытаний узлов. ГТД (на испытательных стендах ОАО«Климов»),атакжеполевыхработ на самолётах Ту-154М и ТУ-214 (ФГУП «ГТК «Россия»), вертолётах Ми-8Т и Ми-8МТВ (ЗАО «Спарк», АК «Баркол»);

Результаты исследований* и разработанная методика были использованы в процессе договорной! работы по диагностике коробки самолётных агрегатов (КСА) ВС спецприменения на-испытательном; стенде ОАО «Климов» и внедрены в учебный процесс СПбГУГА. Публикации

По материалам диссертационных исследований автором опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 печатные:работы, включены в Перечень научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы результаты диссертационных исследований в соответствии с требованиями ВАК.

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы.

Выводы по 4-й главе диссертации водить диагностику по данным одного измерения. В главе показаны положительные результаты диагностирования технического состояния авиационных ГТД по глубине амплитудной модуляции и тренду её изменения с ходом наработки.

3. Установлено, что кривая изменения глубины амплитудной модуляции в некоторых случаях имеет экстремум, обусловленный снижением величины модулирующей функции в процессе деградации механизма.

4. Условия работы подшипниковых узлов и генерируемая ими вибрация диктует необходимость применения методов, построенных на двойной демодуляции сигналов вибрации. Такая необходимость связана, прежде всего, с высоким уровнем спектральных составляющих сигнала вибрации ГТД, что приводит к затруднению в выделении сигнала вибрации подшипниковых узлов из общего сигнала.

150

Заключение

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Экспериментально исследован принципиально новый подход в диагностике технического состояния авиационных ГТД и агрегатов* ВС, основанный на анализе в широкой-полосе частот сигналов-вибрации, измеренных с помощью бесконтактного лазерного вибропреобразователя.

2. Показано, что областью применения лазерной вибродиагностики являются измерения вибрации ГТД в условиях наземного запуска на различных режимах в составе ВС (например; при опробовании после очередной формы ТО) или на испытательном стенде. Анализ полученных результатов способен значительно дополнить и уточнить данные бортовых средств контроля вибрации.

3. Установлено, что наиболее эффективными методами анализа получаемых сигналов вибрации являются спектральный анализ оцифрованных сигналов и анализ спектральных составляющих огибающей сигнала вибрации в информативной полосе частот. Диагноз ставится по составу спектров сигнала и его- огибающей, а также по величине глубины модуляции отдельных составляющих спектра.

4. Показано, что разработанная-методика при наличии одного лазерного виброметра позволяет произвести измерение вибрации на авиационном ГТД без увеличения времени работы свыше установленного графиком наземного опробования двигателя, что является, доказательством высокой экономической эффективности лазерной вибродиагностики.

5. Экспериментально выработаны пороговые значения'глубины модуляции, необходимые для постановки диагноза при условии проведения измерения вибрации в непосредственной близости от диагностируемого узла. Они соответствуют ниже приведенным значениям, полученным из накопленного опыта вибродиагностики авиационных ГТД и их агрегатов в стендовых и натурных условиях с последующей разборкой и дефектацией, а именно: 10% - зарождающийся дефект, 20% -средний дефект, 30% - опасный дефект. Естественно, по мере набора статистических данных при последующей эксплуатации лазерной диагностики авиационных ГТД эти пороговые значения будут уточняться;

6. Оценка современного состояния, вибродиагностики авиационных ГТД показывает, что системы диагностики, установленные на ВС имеют ограниченные возможности по выявлению зарождающихся дефектов, что обусловлено узким низкочастотным диапазоном» их работы. Поэтому проблема увеличения диагностической способности методов; вибродиагностики авиационных ГТД представляется важной и актуальной с позиций дальнейшего повышения безопасности полётов:

7. В процессе экспериментальной работы разработана методика, проведения измерений« вибрации-на авиационных ДТРД и вертолётных ГТД; с позиций распространения и< затухания, сигнала вибрации определены наиболее информативные точки корпуса двигателей^ различных схем: Точки для замера вибрацию с помощью лазерного вибродатчика выбраны таким образом; чтобы, обеспечивалось минимальное затухание сигнала вибрации,, генерируемого внутренними узлами двигателя: Исходя из опытных данных и конструктивных схем диагностируемых:ГТД; установлено количество; точек измерения; вибрации; необходимое для? комплексной; оценки технического состояния составных модулей ГТД.

8. Анализ современного оборудования, предназначенного»для контроля вибрации;, и экспериментальная1; работа по лазерной- вибродиагностике ГТД показали, что для-успешной процедуры измерения (необходимо минимальное время замера в силу экономии топлива) и анализа сигналов вибрации необходимы портативные цифровые приборы с высокой* частотой; дискретизации входных аналоговых сигналов, поступающих с датчиков вибрации и компьютерное программное обеспечение, позволяющее проводить весь комплекс операций по работе с цифровыми сигналами.

1. Александров A.A., Барков A.B., Баркова H.A., Шафранский В.А. Вибрация и вибродиагностика судового» электрооборудования. Л.: Судостроение, 1986.

2. Балицкий Ф.Я., М.А. Иванова, А.Г. Соколова, Хомяков Е.И. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов. М.: Наука, 1984.

3. Барков A.B., Баркова H.A., Азовцев Ю.А. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации. Учебное пособие. СПб: СПбГМТУ, 2000.

4. Башта Т.М. Техническая диагностика гидравлических приводов. М.: Машиностроение, 1989. '

5. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. М.: Мир, 1974.

6. Бендат Дж., Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа. М.: Мир, 1983.

7. Биргер И.А. Техническая диагностика. М.: Машиностроение, 1978.

8. Биргер И.А., Шорр Б.Ф. Динамика авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1981.

9. Богданов А.Д., Хаустов И.Г. Авиационный двигатель ТВ2-117. М.: Транспорт, 1970.

10. Ю.Богданов А.Д., Калинин Н.П., Кривко А.И. Турбовальный двигатель ТВЗ-117ВМ. М.: Воздушный транспорт, 2000.

11. Вибрация в технике. Справочник в 6 томах / Под ред. В.Н. Челомея. М.: Машиностроение, 1981.

12. Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. М.: Машиностроение, 1987.

13. Гольдин A.C. Вибрация роторных машин. М.: Машиностроение, 1999.

14. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и связь, 1986.

15. Иванов М.Н. Детали машин. М.: Высшая школа, 1967.

16. Иориш Ю.И. Измерение вибрации. М.: Машгиз, 1956.

17. Карасёв В.А., Максимов В.П., М.К Сидоренко. Вибрационная диагностика газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1978.

18. Карасёв В.А., Ройтман А.Б. Доводка эксплуатируемых машин. Виброакустические методы. М.: Машиностроение, 1986.

19. Клюкин И.Н., Колесников А.Е. Акустические измерения в судостроении. Л.: Судостроение, 1968.

20. Коллакот P.A. Диагностика повреждений. М.: Мир, 1989.23 .Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. / Под ред. Д.В. Хронина. М.: Машиностроение, 1989.

21. Левит М.Е., Ройзман. В.П. Вибрация и уравновешивание роторов авиадвигателей. М!: Машиностроение, 1970.

22. Максимов В.П., Егоров И.В., Карасёв В.А. Измерение, обработка и анализ быстропеременных процессов в машинах. М.: Машиностроение, 1987.

23. Марков H.H., Осипов В.В., Шабалина М.Б. Нормирование точности в машиностроении. М.: Высшая школа, 2001.

24. Неразрушающий контроль. Справочник в 8 томах / Под ред. В.В. Клюева — 2-е изд., испр. Т.7. М.: Машиностроение, 2006.

25. Нечаев Ю.Н., Фёдоров P.M. Теория авиационных газотурбинных двигателей. В двух томах. Том 1. М.: Машиностроение, 1977.

26. Нечаев Ю.Н., Фёдоров P.M. Теория авиационных газотурбинных двигателей. В двух томах. Том 2. М.: Машиностроение, 1978.

27. Никифоров A.C. Акустическое проектирование судовых конструкций: Справочник. Л.: Судостроение, 1990.

28. Никифоров A.C., Будрин C.B. Распространение и поглощение звуковой вибрации на судах. Л.: Судостроение, 1968.

29. Павлов Б.В. Акустическая диагностика механизмов. М.: Машиностроение, 1971.

30. Пакет обработки сигналов WinnOC. Руководство пользователя. Издание второе (2.3). Королёв: НПП «Мера», 2005.

31. Перель Л.Я. Подшипники качения. М.: Машиностроение, 1983.

32. Пивоваров В.А. Повреждаемость и диагностирование авиационных конструкций. М.: Транспорт, 1994.

33. Пивоваров В.А., Машошин О.Ф. Дефектоскопия гражданской авиационной техники. М.: Транспорт, 1997.

34. Попков В.И., Мышинский Э.Л., Попков О.И. Виброакустическая диагностика в судостроении. Л.: Судостроение, 1983.

35. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара. Справочник в двух томах / Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1978.

36. Руководство по технической эксплуатации двигателя Д-30КУ. М.: Воздушный транспорт, 1986.

37. Сидоренко М.К. Виброметрия газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1973.

38. Сиротин H.H., Коровкин Ю.М. Техническая диагностика авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1979.

39. Скучик Е. Основы акустики. М.: Издательство иностранной литературы, 1959.

40. Солонина А.И., Улахович Д.А., Арбузов С.М., Соловьёва Е.Б. Основы цифровой обработки сигналов. СПб: БХВ Петербург, 2005.

41. Ушаков А.П. Основы теории технической диагностики. СПб: СПбАГА, 2003.

42. Ушаков А.П., Тварадзе C.B. Вопросы оперативного выявления дефектов силовых установок транспортных систем // «Проблемы эксплуатации исовершенствования транспортных систем»: межвузовский тематический сборник научных трудов. Том X. СПб: СПбАГА, 2005.

43. Явленский К.Н., Явленский А.К. Вибродиагностика и прогнозирование качества механических систем. Л.: Машиностроение, 1983.

44. Научно — технический отчёт «Оценка технического состояния КС А — ЗЗМ с использованием лазерного виброметра с идентификацией источников вибрации на основе оценки глубины модуляции». СПб: СПбГУГА, 2008.

45. Научно технический отчёт «Исследование возможности оценки технического состояния узлов газотурбинных двигателей воздушных судов при наземных запусках с использованием лазерного виброметра».1. СПб: СПбГУГА, 2008.

46. Научно — технический отчёт «Анализ эффективности применения лазерного вибропреобразователя для бесконтактной диагностики авиационного газотурбинного двигателя (ГТД) в процессе наземных запусков». СПб: СПбАГА, 2004.

47. Mobely К. Root cause failure analysis. Newnes, 1999.

48. Scheffer С., Girdhar С. Practical machinery vibration analysis & predictive maintenance. Newnes, Elsevier, 2004.52.de Silva С. Vibration and shock handbook. Taylor & Francis Group, 2005.

49. Taylor J. The vibration analysis handbook. Second edition. VCI, 2003.