Диагностические признаки и модели.

Разработка методов построение алгоритмов диагностирования АД возможна при наличии математического описания в исправном и неисправном состоянии. Математическое описание или графическое представление основных свойств двигателя принято называть диагностическими математическими моделями. Математические модели могут быть заданы дифференциальными уравнениями, логическими соотношениями, таблицами, диаграммами или другой формой в явном или неявном виде. Явная модель представляет собой совокупность математических описаний исправного объекта и каждой из рассматриваемых его неисправное состояние. Неявная модель содержит какое- либо одно формальное описание объекта(двигателя), математические модели его неисправностей и правила получения по ним других возможных состояний. Наиболее целесообразным является построение математической модели исправного состояния двигателя, по которой можно построить соответствующие модели его неисправных состояний. Последние должны с достаточной степенью точности описывать объект диагностирования. Неявные модели, кроме того, должны быть удобными для получения необходимых достоверных описаний двигателя. Составление и исследование математической модели двигателя позволяет разделить все его состояния на 2: работоспособные и неработоспособные. Получить критерии оценки степени работоспособности и установить признаки, возникающих неисправностей. Выбор методов математического описания процессов, происходящих в двигателе, для диагностирования технического состояния его основных узлов может быть основан на положениях:

1. В процессе выработки ресурса двигателя происходит неизбежное ухудшение его экономических и мощностных параметров, которые объясняются изменением коэффициентов потерь, отражающих техническое состояние проточной части двигателя. Причинами изменения коэффициентов потерь являются механические и тепловые воздействия на узлы и детали, которые приводят к изменению геометрических параметров деталей проточной части двигателя

2. Изменение геометрических характеристик деталей двигателя, его разрегулировка в процессе эксплуатации, приводит к усилению неравномерности потока во входном устройстве, компрессоре, камере сгорания и т.д.

3. Техническое состояние деталей проточной части двигателя определяет величину, гидравлических потерь, которые влияют на распределение температурных, скоростных полей и полей давлений. Усиление неравномерности потоков приводит к перегреву двигателя, возникновению срывных и колебательных режимов работы и повышению вибрации в узлах двигателя

4. Техническое состояние камеры сгорания, форсунок, топливо- регулирующей аппаратуры оказывает влияние на качество смесеобразования и процесс горения. Ухудшение смесеобразования в КС происходит вследствие образования нагара на топливных форсунках, их засорение, разрегулировки топливо- регулирующей аппаратуры. Эти дефекты снижают полноту сгорания топлива, что приводит к увеличению часового расхода топлива, при неизменном режиме работы двигателя

При математическом описании процессов, протекающих в ГТД необходимо учитывать, что увеличение гидравлических потерь в различных элементах проточной части двигателя приводит к одинаковым последствиям, например увеличение гидравлических потерь в КС, турбине, выходном устройстве приводит к увеличению температуры газов перед турбиной, смещению линии рабочих режимов границы помпажа, ухудшению экономических показателей двигателя. Тяговые характеристики при этом могут не изменяться. Увеличение потерь во входном устройстве не оказывает существенного влияния на режим работы двигателя, но приводит к уменьшению секундного расхода воздуха и полной тяги, ухудшению экономичности двигателя. Уменьшение КПД компрессора и других основных узлов двигателя приводит к уменьшению тяги, оказывая существенное влияние на величину ресурса и надежность двигателя. Поэтому для диагностирования в качестве математической модели двигателя желательно иметь систему уравнений, описывающих изменение основных параметров, характеризующих его работу в процессе выработки ресурса. Зависимость основных функциональных параметров двигателя геометрических характеристик, элементов его проточной части, может быть описана системой уравнений:

отношение одного из основных функциональных параметров двигателя от расчетного значения

постоянные коэффициенты взаимного влияния для данного типа двигателя

отношения КПД основных узлов двигателя от расчетного значения

отношение площадей проходного сечения, основных элементов проточной части двигателя

порядковый номер параметра двигателя

порядковый номер коэффициента потерь

Для проведения технического диагностирования двигателя необходимо в процессе выработки двигателем ресурса получать зависимости отклонения параметров основных узлов двигателя от времени наработки. При этом объективность диагностирования зависит от уровня контролепригодности двигателя, т.к. уровень контролепригодности определяет количество штатных датчиков и приборов контроля диагностических параметров, а так же количество мест подхода для визуального наблюдения и геометрических промеров деталей. Поэтому для решения задач, оценки изменения параметров отдельных узлов двигателя можно использовать метод малых отклонений параметров, определение которых можно производить с помощью штатных датчиков и приборов, а математическую модель ГТД можно представить в виде системы уравнений рабочего процесса основных узлов двигателя, в малых отклонениях. В общем виде уравнение рабочего процесса основных узлов двигателя в малых отклонениях можно записать:

1. Система уравнений в малых отклонениях процесса сжатия воздуха в компрессоре:

работа, затраченная на сжатие 1 кг воздуха в компрессоре

заторможенная температура воздуха на входе в компрессор

степень повышения полного давления воздуха в компрессоре

адиабатный КПД по заторможенным параметрам

коэффициент влияния

коэффициент влияния

 

2. Система уравнений в малых отклонениях процесса расширения газа в турбине:

работа, полученная при расширении 1 кг газа на турбине

полная температура газа на выходе из КС

КПД турбины по заторможенным параметрам

коэффициент влияния степени расширения газа на турбине на эффективные работы расширения газа на турбине

Кроме уравнений, представленных в малых отклонениях необходимо учитывать зависимости, характеризующие устойчивую работу двигателя, т.е. уравнение неразрывности, уравнение баланса давлений, равенство частот вращения ротора турбины и ротора компрессора и уравнение баланса мощностей. В ряде случаев для учета влияний дополнительных факторов могут быть введены необходимые уточнения. Кроме представленных выше уравнений все процессы, происходящие в узлах двигателя можно записать в виде неявной математической модели:

…

Приведенные уравнения составляют математическую модель двигателя, которую можно использовать для исследования его состояния на протяжении выработки ресурса. Решение представленных систем уравнений возможно задание параметров в виде таблиц с последующим вводом их в компьютер. У модели все коэффициенты соответствуют расчетным значениям, поэтому составление этих уравнений и решение не представляет трудности, а построение уравнений двигателя, имеющего определенное отклонение параметров, представляет собой трудную задачу. Поэтому в условиях эксплуатации строятся упрощенные модели, позволяющие производить оперативный контроль технического состояния двигателя. С этой целью определяется выбор определенных функциональных диагностических параметров.

 

 

Система диагностики.

При опытной доводке нового двигателя, модернизации старого двигателя в серийном производстве, при ремонте и эксплуатации. Одно из основных назначений диагностики двигателя- создание систем диагностирования при опытно конструкторской доводке, серийного производства, ремонта и эксплуатации. В каждом из указанных процессов применяется своя система диагностирования, имеющая общую с остальными системами основу и существенно отличающейся друг от друга организационную и технологическую подсистему. Методы и средства каждой системы диагностирования обусловлены ее назначением, условиями ее применения, квалификации и специализации обслуживающего персонала, правами на принятие решения методическим, инструментальным и метрологическим обеспечением. Система диагностирования при опытной доводке нового и модернизированного двигателя предназначена для проверки влияния на техническое состояние различных конструктивных решений, для снижения себестоимости и ускорения процесса доводки. Для отработки оптимального варианта контролепригодности двигателя и основ его будущих штатных систем диагностирования в производстве, ремонте и эксплуатации. Система диагностирования в серийном производстве служит для управления техническим состоянием, обеспечении качества выпускаемой продукции и уточнения требований к системам диагностирования при ремонте и эксплуатации. Система диагностирования при ремонте предназначена для управления техническим состоянием в процессе восстановления качества двигателя, утраченного им в эксплуатации. Система диагностирования в эксплуатации предназначена для управления техническим состоянии двигателя при хранении, техническом обслуживании и использовании по назначению.

 

Система диагностирования при доводке двигателя характеризуется специальной конструктивной доработкой двигателя для увеличения его контролепригодности при испытаниях в условиях стенда. Повышенными требованиями к точности измерения параметров, число которых может достигать тысячи, возможностью применения датчиков малой долговечности, применения уникальной измерительной и вычислительной техники высокой стоимости, отсутствием штатных приборов контроля параметров, точность которых не удовлетворяет требованиям системы, высокой квалификацией и узкой специализацией обслуживающего персонала. Возможность принятия разработчиком самостоятельных решений, если они не оговорены соответствующей НТД. Высокой информативностью процессов испытания нового двигателя, т.к. эти испытания неизбежно сопровождаются различными неисправностями и отказами. Использование специальных программ диагностирования, предусматривающих для ускорения накопления информации преднамеренное введения неисправностей и форсирования режимов работы двигателя, его основных узлов и агрегатов.

В серийном производстве и испытании на стендах система диагностирования характеризуется пониженными, в соответствии с другими, требованиями по точности измерений и числу параметров, которых может быть от 20 до 100. Для двигателей высокой надежности от 60 до 200, в случае применения на двигателях опытных доработок. Характеризуется применением систем автоматизированного управления и испытания, отсутствие штатных приборов, точность которых не удовлетворяет требованиям системы, высокой квалификации специалистов испытательных цехов, ограниченными возможностями принятия решений по повышению надежности и уровню контролепригодности, высокой информативностью массовых контрольно сдаточных испытаний серийных двигателей. Двигатель является серийным объектом диагностирования, имеет штатный уровень контролепригодности, который может быть повышен, за счет установки дополнительных датчиков и других средств контроля.