629.7.083.03
ПОИСК НЕИСПРАВНОГО МОДУЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ПО УРОВНЮ ВИБРАЦИИ
Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации
Аннотация. В данном исследовании проводилась обработка сигнала, полученного при измерениях вибрационных показателей на двух двигателях ТВ3-117 в составе силовой установки, одного исправного и другого, у которого был обнаружен дефект. Вибрационный сигнал был получен на частотах до 20 кГц с помощью лазерного вибропреобразователя. Обработка сигнала показала, что при совместном использовании нескольких параметров можно достаточно достоверно указывать на наличие зарождающегося дефекта вращающихся узлов турбовального двигателя с точностью до модуля.
Ключевые слова. ТВ3-117, лазерный вибропреобразователь, вибродиагностика, WinПОС
Поиск неисправного модуля двигателя основан на повышении количества датчиков вибрации или использовании одного бесконтактного вибропреобразователя.
При рассмотрении вопроса количества и мест расположения датчиков стоит обратить внимание на потенциальную информативность, а также не оставить без внимания достоверность. Наиболее очевидным местом установки вибродатчиков является опоры двигателя, т. к. они являются связующим звеном при передаче вибрации.
В данной работе представлены данные экспериментальных исследований с применением бесконтактного лазерного вибропреобразователя, где целью было нахождение зарождающихся дефектов с применением перспективной методики. Объектом исследования выступал авиационный двигатель ТВ3-117.
Использование этих данных полезно в виду того, что измерения проводились на двух двигателях одной модели и модификации, установленные на конкретном экземпляре вертолета. Что позволяет сравнивать вычисленные показатели между собой, а также делать выводы на основе после экспериментальной разборке двигателя с вероятным дефектом с целью его подтверждения.
Целью данной работы является поиск неисправного модуля двигателя и раскрытие информационного потенциала вибродиагностики в целом, применительно к вертолетным двигателям. Для достижения поставленной цели допустимо и достаточно применение не сложных математических расчетов для исключения необходимости использования громоздких вычислительных программных комплексов.
Объектом исследования являются вибрационные показатели, снятые с авиационного турбовального двигателя ТВ3-117 предназначенного для вертолета Ми-8. В исследуемых двигателях вертолета МИ-8 ресурс первого (левого) двигателя был продлен, а второй (правый) двигатель – после капитального ремонта. Целью исследования является выявление изменений значений вибрационных параметров, на основе которых будет разработана методика по поиску неисправного модуля двигателя.
Измерение вибрационного сигнала производилось на режиме малого газа с помощью лазерного вибропреобразователя LV-2 с расстояния 1-2 метра, закрепленного с помощью штатива на корпусе двигателя в составе силовой установки вертолета Ми-8, путем наведения луча лазера на места замеров (рисунок 1). Частотный диапазон измерений самого устройства составляет от 2 Гц до 30 кГц. Измерения проводились до 20 кГц.
Рис.1. Закрепленный лазерный вибропреобразователь
В дальнейшем, сигнал поступает в электронный блок для анализа качества сигнала и только после этого идет на цифровой анализатор.
Измерения проводились вблизи опор ротора, в точках указанных на рис.2.
Рис.2. Точки проведения измерений на двигателе ТВ3-117
Обработка полученного вибрационного сигнала производилась следующим образом.
Математическое ожидание |
|
Дисперсия |
|
Среднеквадратичное отклонение (СКО) |
|
Асимметрия |
|
Эксцесс |
|
Вычисление значений вибрационных параметров были произведены в программном пакете WinПОС компании НПП «Мера». Результаты вычислений занесены в таблицу 1.
Таблица 1. Значения параметров (абсолютные)
Сигнал | лев-1 | лев-2 | лев-3 | прав-1 | прав-2 | прав-3 |
Мат. ожидание | -0,131 | -0,198 | -0,005 | -0,134 | -0,146 | -0,080 |
Дисперсия | 0,027 | 0,055 | 0,011 | 0,018 | 0,063 | 0,049 |
Среднекв. откл | 0,164 | 0,235 | 0,103 | 0,135 | 0,251 | 0,222 |
Асимметрия | -0,045 | -0,770 | -0,029 | 0,019 | 0,005 | 0,100 |
Эксцесс | 3,765 | 12,847 | 3,120 | 2,977 | 3,063 | 3,537 |
Амплитуда | 2,534 | 2,848 | 1,206 | 0,773 | 1,470 | 2,638 |
Указанные в таблице 1 параметры не просто интерпретировать и порой может вызывать некоторые сложности в понимании процессов происходящих в двигателе, к тому же не столь наглядно указывает на причины, которые привели рассматриваемые параметры к определенному виду.
Потому было принято решение о визуализации происходящих изменений с применением несложных методик обработки цифровой информации.
Сравнение некоторых параметров возможно без их преобразования, но только если измерения происходят в одной и той же размерности, к тому же могут возникать смысловые нестыковки. В основном по этой, но и некоторым другим причинам решено обезличить рассматриваемые параметры. Наиболее простой способ - выражение параметров в процентном соотношении, т. е. относительно некоторых крайних значений. Выбор таких значений не вызывает каких-либо сложностей, что аналогично выбору начала отчета на координатной плоскости при сравнении двух и более кривых между собой.
При такой постановке вопроса, очевидно, что при сравнении значений одного параметра можно ограничиться точками локального минимума и максимума на заданном, ограниченном множестве значений.
С этой целью были сравнены все значения, в данном случае это шесть (три для левого и три для правого двигателя), для каждого отдельного параметра и найдены их минимальные и максимальные значения.
Поиск максимального значения 
из множества 
производился путем сравнения всех элементов 
множества 
между собой.
Аналогичным образом было найдено 
из множества 
.
Остальные же значения параметров были пересчитаны, в процентном соотношении, относительно найденного минимума и максимума.
Таблица 2. Значения параметров (относительные)
% | лев-1 | лев-2 | лев-3 | прав-1 | прав-2 | прав-3 |
Мат. ожидание | 35 | 0 | 100 | 33 | 27 | 61 |
Дисперсия | 31 | 86 | 0 | 14 | 100 | 74 |
Среднекв. откл | 41 | 90 | 0 | 21 | 100 | 80 |
Асимметрия | 83 | 0 | 85 | 91 | 89 | 100 |
Эксцесс | 8 | 100 | 1 | 0 | 1 | 6 |
Амплитуда | 85 | 100 | 21 | 0 | 34 | 90 |
Обезличенные значения параметров преподносят результаты измерения более ясно. Но, не смотря на все удобство данного представления, следует помнить о том, что сравнивать значения, измеренные вдоль двигателя, не подлежат сравнению между собой потому как велико различие в типах физических процессов, которые эти изменения вызывают. Так, например, вибрационные показатели в первой точке зависят от скорости, направления, плотности воздуха на входе вентилятора и других условий внешней среды. Во второй же точке, возникновение вибрации обусловлено работой компрессора двигателя с большим количеством ступеней, вращение которых создает колебания. Но и их лопатки, при преодолении которых воздушные массы, преобразуют свою кинетическую энергию движения в потенциальную энергию давления, создавая дополнительные колебания и передавая их подвижным и не подвижным элементам двигателя. В третьей же точке вибрационные показатели в основном зависят от процесса горения в камере сгорания.
В этой ситуации наличие замеров параметров со второго двигателя упрощают процесс оценки и анализа состояния первого, потому, как заведомо известно, его исправное техническое состояние. Не смотря на это, нет возможности основываться на единичные числовые отличия, потому как вибрационные процессы являются хаотическими и даже проведение второго замера значений на одном и том же экземпляре двигателя, на первый взгляд, в одних и тех же внешних условиях не гарантируют получение таких же числовых значений. Потому при анализе больше внимания будет уделяться характеру изменения и кратности различий.
Если говорить о характере изменений, то представляется возможным дальнейшее обезличивание значений путем их сравнения в одних и тех же точках для разных двигателей, что позволит оценить происходящие изменения в двигателе минимально привязываясь к физическим различиям процессов их вызвавших.
По этим соображениям была составлена таблица 3, где 
сравнивался с 
, вычисленным аналогичным образом для второго двигателя. Т. е. значения 
в таблице 3 вычислялись следующим образом: 
Таблица 3.Отличие значений параметров для левого и правого двигателя
Различие в % | 1 | 2 | 3 | сум |
Мат. ожидание | 2 | 27 | 39 | 67 |
Дисперсия | 17 | 14 | 74 | 105 |
Среднекв. откл | 20 | 10 | 80 | 111 |
Асимметрия | 7 | 89 | 15 | 111 |
Эксцесс | 8 | 99 | 4 | 111 |
Амплитуда | 85 | 66 | 69 | 220 |
Из таблицы 3 можно заметить, что изменения амплитуды сильно различается для первого и второго двигателя на всех точках. Что и является основным показателем наличия дефекта в настоящее время на вертолетах с установленными двигателями ТВ3-117 и его модификаций. Могу предположить, что согласно подобным соображениям в настоящее время на этих двигателях и его модификациях устанавливается только один датчик вибрации (один на каждый двигатель).
Достижение целей данной работы возможно при анализе других параметров, в виду не информативности значений амплитуды вибросигнала.
Упрощение работ по анализу данных и для большей наглядности составлены графики изменения параметров для каждой точки согласно таблице 3.
График 1. Отличие значений параметров в точке 1
График 2. Отличие значений параметров в точке 2
График 3. Отличие значений параметров в точке 3
При этом если математическое ожидание можно ясно представить как в графическом отображении, так и физический смысл понятен, то с остальными параметрами несколько сложнее.
Можно заметить из графика 2, что значения эксцесса и асимметрии повысились почти в 2 раза, но в точках 1 и 3 примерно совпадают со значениями, измеренными со второго, исправного двигателя. С математической точки зрения эта связь очевидна, но для понимания процессов повлиявших на их изменение нужно обратиться к смысловому значению этих параметров.
Нормальный закон распределения имеет эксцесс и асимметрию равную 0. Т. е. любые изменения значений эксцесса и асимметрии приводят к отклонению от нормального закона распределения. Каким образом они влияют на изменение плотности распределения изображено на рисунке 3.
Рис.3. Влияние асимметрии и эксцесса на плотность распределения
Обращаясь к таблице 2 можно заметить, что асимметрия в точке 2 резко упала для первого двигателя, когда как на втором, исправном, асимметрия на всех точках держится примерно на одном уровне. И наоборот значение эксцесса во второй точке первого двигателя резко возросло, когда как на втором, исправном, эксцесс по всей длине двигателя примерно одного значения.
Следуя подобным доводам можно прийти к выводу, что плотность распределения от нормального закона сместилась в сторону и повысила свою островершинность, т. е. повысилась вероятность определенного значения и процесс уже не является случайным. С точки зрения теории информации – неопределенность уменьшилась и можно утверждать, что имеет место нестационарность процесса, которая явилась следствием некоторого дефекта.
Интерпретируя результаты, отображенные на 3 графике нужно обратиться к схеме двигателя и принципу его работы. Разброс значений, на который указывает дисперсия и СКО, а также частично мат. ожидание может указывать на наличие дефекта вблизи 3 точки, так и оказаться следствием нестационарности вблизи 2 точки. При рассмотрении схемы двигателя и расположения точек измерений вибрации можно заметить, что в непосредственной близости ко 2 точке расположен компрессор высокого давления и камера сгорания, вблизи 3 точки расположена камера сгорания и турбина.
Отличие результатов представленных на графике 2 и графике 3 можно сделать вывод, что дефект не находится в камере сгорания, иначе оба графика представляли бы одни и те же изменения, пусть и в разной степени. Отсюда можно сделать вывод о наличии двух различных дефектов или одного дефекта и его последствий. Если пойти от обратного, то очевидно, что вблизи 2 точки имеется дефект. Дефект, связанный с компрессором, может сказываться на работу камеры сгорания, т. к. напрямую влияет на процесс горения.
Нестационарное горение в свою очередь может вызывать дополнительные возмущения газовоздушного потока, что определенно скажется на вибрационных показателях.
Учитывая характер изменения значений параметров, изображенный на графике 3, можно сделать вывод о наличии одного дефекта и его последствий. Т. е. разброс значений, который улавливает дисперсия и СКО, а также мат. ожидание является следствием изменений параметров воздуха, поступающего в камеру сгорания из компрессора высокого давления.
Дальнейший поиск дефекта, а также определение его характера и уровня развития не представляется возможным из имеющихся данных. К тому же не входит в цель данной работы, потому этот вопрос не будет рассматриваться.
Проверка проведенной работы, как ключевой фактор достоверности проведенных исследований, основывается на результатах экспериментальных данных, где был выявлен износ шарикоподшипника ротора турбокомпрессора. Бой ротора в подшипнике приводил к изменению радиальных зазоров между рабочими лопатками и корпусом двигателя.
Результаты показывают, что информативность простых вибрационных параметров позволяет найти модуль, содержащий дефект при использовании перспективного метода с применением лазера для исключения необходимости использования нескольких датчиков вибрации, что упрощает процесс диагностирования.
Список литературы
1. WinПОС. Пакет обработки сигналов. Руководство пользователя. Королёв, НПП "Мера", 2005
2. Выборочная оценка технического состояния вращающихся узлов силовой установки вертолета МИ-8 МТВ в процессе наземного запуска с использованием бесконтактного лазерного вибропреобразователя : тех. отчет / , , – Санкт-Петербург: , 2006. -18 с.
3. Озеров возможности применения лазерного вибропреобразователя для диагностирования технического состояния вертолётных ГТД. / // Научный вестник МГТУГА. – 2009. – № 000. – С. 124-130
4. Асимметрия и эксцесс. Вычисления, графики [Электронный ресурс] / Р. Юхим. Образовательный портал - Электрон. текст. дан. – Енакиево: 2016. – Режим доступа http:///uk/vipadkovi-velichini/asimetriya-i-ekstses-obchislennya-grafiki. html, свободный.
5. РТЭ двигателя ТВ3-117ВМ. Книга 4.
6. Лазерный вибропреобразователь LV–2. Инструкция по эксплуатации.
ENGINE MODULE TROUBLESHOOTING BY VIBRATION LEVEL
Petrov A. I.
Saint-Petersburg state university of civil aviation
Abstract. This research was carried out signal processing, obtained in measurements of vibration parameters of two engines TV3-117 as part of the engine unit, one of which was found to be defective and serviceable engine. The vibration signal was received at frequencies up to 20 kHz with a laser vibrator and passed preliminary processing in a specialized package WinPos. Further processing of the signal when used together several parameters can quite reliably indicate the presence of an incipient defect in turboshaft engine rotating parts up to a module.
Keywords. TV3-117, laser vibrator, vibration diagnostics, WinPos
Сведения об авторе: , 1988 года рождения, в 2011 окончил СПбГУ ГА по специальности ТОЛААД, сфера интересов – неразрушающий контроль и техническая диагностика авиационной техники, эл. почта *****@***ru.
