Вдосконалення бортової системи керування і контролю для багатокласової діагностики авіаційного газотурбінного двигуна

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorБурау, Надія Іванівна
dc.contributor.authorПаздрій, Ольга Ярославівна
dc.date.accessioned2024-06-07T13:38:12Z
dc.date.available2024-06-07T13:38:12Z
dc.date.issued2024
dc.description.abstractПаздрій О.Я. Вдосконалення бортової системи керування і контролю для багатокласової діагностики авіаційного газотурбінного двигуна. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 174 - Автоматизація, комп’ютерно-інтегровані технології та робототехніка (17 - Електроніка, автоматизація та електронні комунікації). – Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", Київ, 2024. Дисертаційна робота присвячена вдосконаленню бортової системи керування і контролю для багатокласової діагностики авіаційного газотурбінного двигуна шляхом включення підсистеми багатокласової діагностики у бортову систему контролю вібрації авіаційного газотурбінного двигуна (ГТД) на основі багаторівневої обробки діагностичної інформації. Одним із основних факторів підвищення безпеки польотів та запобігання катастрофічних ситуацій є розробка та вдосконалення існуючих бортових систем керування і контролю авіаційним ГТД. Сучасні системи керування і контролю авіаційних двигунів побудовані за принципом структурного моніторингу (Structural Health Monitoring). Ключовою задачею під час процесу моніторингу є отримання, перетворення та аналіз діагностичної інформації з метою виявлення експлуатаційних пошкоджень двигуна в реальному часі. У роботі обґрунтовано застосування комбінації різних методів аналізу віброакустичних сигналів для реалізації підсистеми багатокласової діагностики у складі бортової системи контролю вібрації ГТД. На основі отриманих діагностичних ознак експлуатаційних пошкоджень та порушень штатних режимів функціонування двигуна, розроблено програмні алгоритми діагностики різних класів порушень експлуатаційних режимів роботи двигуна і пошкоджень роторних елементів на етапі їх зародження. Основна частина дисертаційної роботи складається з чотирьох розділів, які присвячені дослідженню шляхів вдосконалення бортової системи керування і контролю для багатокласової діагностики авіаційного газотурбінного двигуна. Перший розділ присвячено огляду стану проблеми та обґрунтуванню напрямку досліджень дисертаційної роботи. Описано загальну характеристику авіаційних двигунів, як складної обертової системи. Розглянуто основні небезпечні експлуатаційні несправності роторних елементів двигунів. Особливу увагу було приділено розгляду таких пошкоджень двигунів як втомні пошкодження лопаток робочих коліс ГТД та руйнування валів через розвиток тріщин під впливом згинаючих і скручуючих моментів. Розглянуто основні сучасні методи та напрямки діагностики авіаційних двигунів у процесі експлуатації. Обґрунтовано переваги та можливості застосування вібраційної діагностики ГТД безпосередньо в процесі експлуатації двигуна. Розглянуто типову структуру бортової системи управління і контролю ГТД. Складовою системи управління і контролю ГТД є бортова система контролю вібрації. У розділі приведена загальна характеристика бортових систем контролю вібрації авіаційного двигуна. Показані основні тенденції розвитку автоматичних систем керування і діагностики технічного стану газотурбінних двигунів. Проведено аналіз попередніх робіт за темою дослідження та обґрунтовано мету і завдання даних напрямів дослідження. У другому розділі дисертаційної роботи запропоновано вдосконалення бортової системи управління і контролю ГТД шляхом розширення функціональних можливостей бортової системи контролю вібрацій для забезпечення багатокласової діагностики на основі вже існуючої бортової системи контролю вібрацій двигуна за допомогою включення до її складу підсистеми багатокласової діагностики. Приведено опис та функціональну схему вдосконаленої бортової системи контролю вібрації двигуна. Розглянуто детально призначення та функції, які виконує штатна бортова система контролю вібрації двигуна та які пристрої входять до її складу. Визначено, що для реалізації Підсистеми багатокласової діагностики центральними є питання розробки та обґрунтування методичного, алгоритмічного та програмного забезпечення для ефективного діагностування експлуатаційних порушень чи несправностей роторних елементів двигуна. Обґрунтовано методи обробки діагностичної інформації для такої системи. Визначено, що оскільки вимірювані діагностичні вібраційні сигнали в більшості випадків являються локально чи суттєво нестаціонарними процесами, тому особливу увагу приділено розгляду таких методів аналізу сигналів, які дозволяють виявляти приховані залежності та досліджувати більш тонку структуру сигналу. Було обґрунтовано вибір та розглянуто основні принципи таких методів аналізу сигналів як: Частотночасовий, Біспектральний, Вейвлет-перетворення та Фрактальний аналіз. Приведено методичні аспекти для інтерпретації вібраційних сигналів на основі Фрактального аналізу. У третьому розділі дисертаційної роботи представлено результати моделювання та аналіз тріщиноподібних пошкоджень роторних елементів авіаційного газотурбінного двигуна таких як вал ротора двигуна та лопатка робочого колеса турбіни. Розроблено методичне, алгоритмічне та програмне забезпечення для діагностики початкового тріщиноподібного пошкодження валу ротора двигуна та початкового тріщиноподібного пошкодження лопатки робочого колеса турбіни двигуна. Розроблені та представлені у графічній формі програмні алгоритми діагностування тріщини для валу ротора та лопаток двигуна для реалізації блоків діагностики тріщини валу та діагностики тріщини лопатки, які включені в склад Підсистеми багатокласової діагностики, яка може бути програмно реалізована у вдосконаленій бортовій системі контролю вібрації двигуна. У четвертому розділі дисертаційної роботи представлено результати фізичного моделювання обертової системи з імітацією експлуатаційних порушень та результати обробки, отриманих у ході фізичного моделювання віброакустичних сигналів. Описано фізичну модель, вимірювальну схему для проведення запису віброакустичних сигналів та показано зовнішній вигляд експериментальної установки. Для діагностики кожного класу порушення таких як: дисбаланс; потрапляння сторонніх предметів у компресор силової турбіни двигуна; задирання лопаток компресора силової турбіни розроблено діагностичний програмний алгоритм для його впровадження у Підсистему багатокласової діагностики у складі вдосконаленої бортової системи контролю вібрації двигуна. Представлено результати аналізу ефективності застосування багаторівневого аналізу віброакустичних сигналів для виділення діагностичних ознак та ідентифікації різних експлуатаційних порушень штатних режимів експлуатації ГТД. Усі результати, що виносяться на захист, є новими. Вони неодноразово обговорювалися на міжнародних конференціях. За матеріалами дисертації опубліковано 6 статей, 14 тез конференцій та одне свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір які повною мірою відображають її зміст.
dc.description.abstractotherPazdrii O.Ya. Improvement of on-board control and monitoring system for multi-class diagnostics of aircraft gas turbine engine. - Qualifying scientific work on the rights of the manuscript. Thesis for the scientific degree of Doctor of Philosophy scientific degree in specialty 174 - Automation, computer-integrated technologies and robotics (17 - Electronics, automation and electronic communications). – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2024. The dissertation is devoted to the improvement of the on-board control and control system for multi-class diagnostics of an aircraft gas turbine engine by including the multi-class diagnostics subsystem in the on-board vibration control system of an aircraft gas turbine engine (GTE) based on multi-level processing of diagnostic information. One of the main factors of increasing flight safety and preventing catastrophic situations is the development and improvement of the existing on-board systems of control and control of aviation gas engines. Modern control and control systems of aircraft engines are built according to the principle of structural monitoring - Structural Health Monitoring. A key task during the monitoring process is the acquisition, transformation and analysis of diagnostic information in order to detect engine operational damage in real time. The paper substantiates the use of a combination of different methods of vibroacoustic signal analysis for the implementation of a multi-class diagnostics subsystem as part of the on-board vibration control system of the gas turbine engine. On the basis of the obtained diagnostic signs of operational damage and violations of standard engine operation modes, software algorithms for diagnosing various classes of engine operational mode violations and damage to rotor elements at the initial stages of their origin have been developed. The main part of the dissertation work consists of four chapters, which are devoted to the study of ways to improve the on-board control and control system for multi-class diagnostics of the aviation gas turbine engine. The first chapter is dedicated to the overview of the problem and justification of the research direction of the dissertation work. The general characteristics of aircraft engines as a complex rotating system are described. The main dangerous operational malfunctions of rotor elements of engines are considered. Special attention was paid to the consideration of such engine damage as fatigue damage to the blades of the working wheels of the GTE; destruction of shafts due to the development of cracks under the influence of bending and twisting moments. The main modern methods and directions of diagnostics of aircraft engines during operation are considered. The advantages and possibilities of applying vibration diagnostics of GTE directly during engine operation are substantiated. The typical structure of the on-board control and control system of the gas turbine engine is considered. An on-board vibration control system is a component of the gas turbine control and control system. The general characteristics of on-board vibration control systems of the aircraft engine are given in the section. The main trends in the development of automatic control systems and diagnostics of the technical condition of gas turbine engines are shown. An analysis of previous works on the topic of the research was carried out and the purpose and objectives of these areas of research were substantiated In the second section of the dissertation, the improvement of the on-board control and control system of the gas turbine engine is proposed by expanding the functionality of the on-board vibration control system to provide multi-class diagnostics based on the already existing on-board engine vibration control system by including a multiclass diagnostics subsystem in its composition. The description and functional scheme of the improved on-board engine vibration control system are given. The purpose and functions performed by the standard on-board engine vibration control system and which devices are part of it are considered in detail. It was determined that one of the main tasks for the implementation of such a multi-class diagnostic device is the development and substantiation of methodical, algorithmic and software for effective diagnosis of the mentioned imperfections or engine functioning violations. Methods of information analysis for such a system are substantiated. It was determined that since the measured diagnostic vibration signals are in most cases locally or significantly non-stationary processes, special attention is paid to the consideration of such methods of signal analysis that allow revealing hidden dependencies and investigating the finer structure of the signal. The choice was justified and the basic principles of such methods of signal analysis as: Time-frequency, Bispectral, Wavelet transformation and Fractal analysis were considered. Methodological aspects for the interpretation of vibration signals based on Fractal analysis are given. The third chapter of the dissertation presents the results of modeling and analysis of crack-like damage to the rotor elements of the aircraft gas turbine engine, such as the engine rotor shaft and the turbine impeller blade. Methodical, algorithmic and software for diagnosing initial crack-like damage of the engine rotor shaft and initial crack-like damage of the blade of the engine turbine impeller was developed. Developed and presented graphically, software algorithms for diagnosing cracks for the rotor shaft and engine blades for the implementation of the blocks for diagnosing shaft cracks and diagnosing blade cracks, which are included in the Subsystem of multi-class diagnostics, which can be implemented by software in the advanced onboard engine vibration control system. The results are presented in the fourth chapter of the dissertation physical modeling of the rotating system with simulation of operational disturbances and processing results obtained during the physical modeling of vibroacoustic signals. The physical model, measurement scheme for recording vibroacoustic signals is described, and the appearance of the experimental setup is shown. For diagnosis of each class of disorders such as: imbalance; entry of foreign objects into the compressor of the power turbine of the engine; grinding of the power turbine compressor blades, a diagnostic software algorithm was developed for its implementation in the Subsystem of multiclass diagnostics as part of the improved on-board engine vibration control system. The results of the analysis of the effectiveness of the application of multi-level analysis of vibroacoustic signals for the selection of diagnostic signs and identification of various operational violations of the regular modes of operation of gas turbines are presented. All results presented for defense are new. They were repeatedly discussed at international conferences. Based on the dissertation materials, 6 articles, 14 conference abstracts and one copyright registration certificate for the work were published, which fully reflect its content.
dc.format.extent236 с.
dc.identifier.citationПаздрій, О. Я. Вдосконалення бортової системи керування і контролю для багатокласової діагностики авіаційного газотурбінного двигуна : дис. … д-ра філософії : 174 Автоматизація, комп’ютерно-інтегровані технології та робототехніка / Паздрій Ольга Ярославівна. – Київ, 2024. – 236 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/67071
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectавіаційний газотурбінний двигун
dc.subjectсистема керування
dc.subjectвтомне пошкодження
dc.subjectпозаштатні польотні ситуації
dc.subjectвібрація
dc.subjectвласні частоти
dc.subjectвібраційна діагностика пошкоджень
dc.subjectлопатки турбіни
dc.subjectвал
dc.subjectробоче колесо
dc.subjectімітаційна модель
dc.subjectмоделювання
dc.subjectобробка сигналів
dc.subjectсистеми прийняття рішень
dc.subjectалгоритмічне та програмне забезпечення
dc.subjectaircraft gas turbine engine
dc.subjectcontrol system
dc.subjectfatigue damage
dc.subjectabnormal situation in flight
dc.subjectvibration
dc.subjectnatural frequencies
dc.subjectvibration damage diagnosis
dc.subjectturbine blades
dc.subjectshaft
dc.subjectimpeller
dc.subjectsimulation model
dc.subjectsimulation
dc.subjectsignal processing
dc.subjectdecision-making systems
dc.subjectalgorithms
dc.subjectsoftware
dc.subject.udc519.004:621.833
dc.titleВдосконалення бортової системи керування і контролю для багатокласової діагностики авіаційного газотурбінного двигуна
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Pazdrii_dys.pdf
Розмір:
8.09 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (КІОНС)
Дисертації (вільний доступ)