Бурау Надія Іванівна. Віброакустична діагностика тріщиноподібних пошкоджень турболопатних машин на стаціонарних та нестаціонарних режимах : дис... д-ра техн. наук: 05.11.13 / Національний технічний ун-т України "Київський політехнічний ін- т". — К., 2005. — 397арк. : рис. — Бібліогр.: арк. 331-355.
Анотація до роботи:
Бурау Н.І. Віброакустична діагностика тріщиноподібних пошкоджень турболопатних машин на стаціонарних та нестаціонарних режимах. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.11.13 – прилади і методи контролю та визначення складу речовин. – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2005.
Дисертацію присвячено вирішенню актуальної проблеми визначення технічного стану (ТС) лопаток газотурбінних двигунів (ГТД) в процесі функціонування двигуна та діагностування в них тріщиноподібних пошкоджень на основі розвитку теоретичних засад віброакустичних методів діагностування, застосування ефективних методів обробки діагностичної інформації на сучасних інформаційних технологій для розпізнавання ТС. Для цього в роботі розроблено динамічну модель ГТД як об’єкту віброакустичної діагностики тріщиноподібних пошкоджень лопаток на стаціонарних та нестаціонарних режимах, встановлено закономірності впливу пошкодження на параметри та характеристики вільних та вимушених стаціонарних і нестаціонарних коливань моделей лопатки, аналітично визначено та досліджено вплив пошкодження на кореляційні та спектральні характеристики коливань лопатки при нестаціонарному вузькосмуговому вібраційному збуренні. Для обробки діагностичної інформації обґрунтовано застосування методів багатомірного спектрального аналізу, частотно-часових перетворень, вейвлет-перетворення та безрозмірних амплітудних характеристик віброакустичного сигналу, ефективність методів обробки доведено в результаті чисельного та фізичного моделювання робочого колеса ГТД на стаціонарних та нестаціонарних режимах вібраційного збурення. Визначено та досліджено діагностичні ознаки тріщиноподібного пошкодження. За визначеними аналітичними залежностями проведено оцінювання параметру пошкодження на стаціонарному та нестаціонарних режимах для розпізнавання ТС лопаток. Розроблено методичні засади використання нейронних мереж для розпізнавання ТС лопаток на стаціонарному та нестаціонарних режимах за кількісними ознаками та ознаками у вигляді контурних зображень. Розроблено методику віброакустичного діагностування тріщиноподібних пошкоджень лопаток на стаціонарних та нестаціонарних режимах експлуатації ГТД.
Головний науковий результат роботи – вирішення важливої науково – технічної проблеми визначення ТС лопаток ГТД в умовах експлуатації та діагностування в них тріщиноподібних пошкоджень на ранній стадії розвитку, який полягає у створенні наукових основ розробки системи віброакустичного моніторингу, діагностики та оцінювання тріщиноподібних пошкоджень в лопатках ГТД на стаціонарних та нестаціонарних режимах експлуатації шляхом розвитку теоретичних засад віброакустичних методів діагностування, застосування ефективних методів обробки діагностичної інформації та сучасних інформаційних технологій для розпізнавання ТС лопаток ГТД.
На основі аналізу фізичної природи основних джерел вібраційного та акустичного збурення лопаток, характеру їх змінювання відповідно до режимів експлуатації ГТД, а також на основі розроблених та теоретично обґрунтованих моделей лопаток та робочих коліс розроблено і досліджено динамічну модель турболопатної машини як об’єкту віброакустичної діагностики тріщиноподібних пошкоджень лопаток на стаціонарних та нестаціонарних режимах експлуатації. Динамічна модель характеризує стани ГТД за відсутності та наявності тріщиноподібного пошкодження в лопатці та забезпечує формування віброакустичних каналів, що пов’язують джерело вібраційного та акустичного збурення на стаціонарних і нестаціонарних режимах з реакцією відповідного робочого колеса та ГТД в цілому і відображають необхідне перетворення множини збурень у вимірювані вібраційні та акустичні сигнали.
В результаті дослідження впливу тріщиноподібного пошкодження на параметри та характеристики вільних та вимушених коливань моделей лопатки при стаціонарному збуренні встановлено, що:
- поява пошкодження призводить до появи в спектральній щільності вільних коливань залежних від параметру пошкодження складових низької інтенсивності на гармоніках основної частоти коливань лопатки, найбільш представницькими серед яких є складові на парних гармоніках (зокрема, на другій гармоніці), поява складових на непарних вищих гармоніках зумовлена початковою нелінійністю моделі лопатки;
- амплітуди вимушених нерезонансних коливань моделі лопатки при стаціонарному вібраційному збуренні зростають зі збільшенням параметру пошкодження відповідно до зростання додаткових складових в імпульсній характеристиці моделі лопатки, спектральна щільність коливань збагачується додатковими складовими низької інтенсивності;
- для малих значень параметру пошкодження =0,01,...,0,05 його вплив на імпульсні характеристики нестаціонарної моделі лопатки з урахуванням розсіювання енергії та моделі лопатки без урахування розсіювання енергії є ідентичним за умови обмеження імпульсних характеристик найбільш представницькими постійною складовою та першими двома гармоніками.
Вперше проведено дослідження коливань моделей лопаток без пошкодження та з тріщиноподібним пошкодженням при нестаціонарному вібраційному збуренні. Встановлено, що при повільній зміні частоти вібраційного збурення коливання лопатки є нестаціонарним процесом зі змінною частотою, амплітуда якого змінюється за формою амплітудно-частотної характеристики моделі лопатки. При швидкій зміні частоті вібраційна дія збуджує вільні згасаючі коливання лопаток, амплітуда яких залежить від швидкості змінювання частоти. Збуджені нестаціонарною дією коливання моделі лопатки з пошкодженням являють собою полігармонічний процес, середнє значення та амплітуди складових якого є функціями параметру тріщиноподібного пошкодження.
Отримано нові аналітичні вирази та визначено вплив тріщиноподібного пошкодження на кореляційні та спектральні характеристики коливань моделі лопатки при нестаціонарному вузькосмуговому вібраційному збуренні. Показано, що поява та розвиток пошкодження в інтервалі значень = 0,01...0,1 призводить до змінювання за формою та значенням авто- та взаємних кореляційних функцій в різних перерізах, а також до появи в спектральній щільності нестаціонарних коливань лопатки складових низької інтенсивності на вищих гармоніках власної частоти моделі лопатки з пошкодженням, найбільш представницькою з яких є складова на другій гармоніці.
Запропоновано та обґрунтовано доцільність використання методів багатомірного спектрального аналізу, частотно-часових перетворень, масштабно-часового перетворення та чисельних характеристик віброакустичних сигналів для обробки діагностичної інформації на стаціонарному та нестаціонарних режимах експлуатації ГТД. Вперше в результаті чисельного та фізичного моделювання для кожного з режимів встановлено закономірності впливу тріщиноподібного пошкодження на оцінки модуля біспектру, частотно-часові оцінки та безрозмірні амплітудні дискримінанти віброакустичних сигналів і складових їх вейвлет – перетворення. Визначено та досліджено діагностичні ознаки пошкодження, встановлено, що для діагностики початкового розвитку пошкодження найбільш інформативними є ознаки, які визначаються на нестаціонарних режимах вібраційного збурення, зокрема, на режимі прийомистості.
Вперше за отриманими аналітичними залежностями проведено оцінювання параметру тріщиноподібного пошкодження за визначеними безрозмірними амплітудними дискримінантами на стаціонарному та нестаціонарних режимах роботи ГТД. Отримані оцінки є прийнятними на режимі прийомистості в усьому діапазоні розглянутих значень = 0,01...0,1, а на стаціонарному режимі та режимі дроселювання – при оцінюванні тріщиноподібних пошкоджень в інтервалі значень .
Розроблено методичні засади використання нейронних мереж для розпізнавання ТС лопаток ГТД за результатами обробки діагностичної інформації в процесі експлуатації. Вперше для моделі робочого колеса ГТД на стаціонарному та нестаціонарних режимах вібраційного збурення проведено розпізнавання ТС лопаток з використанням імовірнісної нейронної мережі за кількісними діагностичними ознаками та ознаками у вигляді контурних зображень. Визначено значення параметру впливу мережі, за якого забезпечується максимальне значення вірогідності розпізнавання за кількісними діагностичними ознаками для кожного з режимів вібраційного збурення. Встановлено діапазон значень параметру впливу мережі, в якому забезпечується безпомилкове розпізнавання ТС лопаток за результатами оцінювання модуля біспектру у вигляді контурних зображень для початкових пошкоджень 0,05.
Розроблено вимірювальну систему для моделювання окремих етапів та всього процесу діагностування тріщиноподібних пошкоджень лопаток в об’єктах діагностики різної складності (одна лопатка, робочі колеса, турболопатна машина) на стаціонарних та нестаціонарних режимах вібраційного збурення.
Проведені дослідження підтвердили ефективність застосування віброакустичних методів для моніторингу, діагностики та оцінювання тріщиноподібних пошкоджень в лопатках ГТД на стаціонарних та нестаціонарних режимах експлуатації. На основі отриманих результатів проведено наукове обґрунтування структурного синтезу системи віброакустичної діагностики тріщиноподібних пошкоджень лопаток, як складової інтегрованої автоматичної системи моніторингу ГТД. Обґрунтовано рекомендації по вибору елементів вимірювальної системи для забезпечення фізичного формування вимірювальних каналів та розроблено методику віброакустичного діагностування тріщиноподібних пошкоджень під час доведення чи відновлення ГТД, в процесі експлуатації, в процесі обслуговування перед експлуатацією.
Результати роботи впроваджено в практику контролю авіаційної техніки на ДП завод 410 ЦА (м. Київ). За розробленою методикою вимірювань та обробки діагностичної інформації було зроблено наукове обґрунтування експлуатації лопатей несучих гвинтів вертольота Ка-26 зі збільшеним призначеним строком служби, на основі якого прийнято відповідне Рішення Державного департаменту авіаційного транспорту України №ДКР-0050/Ка-26-2003 від 11.04.2003р. Результати роботи використовуються в навчальному процесі кафедри приладів та систем орієнтації та навігації Національного технічного університету України “КПІ” (м. Київ), Інституту новітніх технологій Національного авіаційного університеті (м. Київ).
Публікації автора:
Бурау Н.І., Гельман Л.М. Теоретичні основи діагностичного низькочастотного акустичного методу вільних коливань // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. – 1998. - №3. – С.107-110.
Здобувачем отримано та проаналізовано вирази для спектральної щільності вільних коливань лопатки з тріщиною, визначено і проаналізовано діагностичні ознаки.
Бурау Н.І., Боярчук А.О., Гельман Л.М. Неруйнівне оцінювання тріщин на основі частоти вільних коливань виробів // Вісник ЖІТІ, 1998. - №7/Технічні науки. – С.129-133.
Здобувачем отримано нові аналітичні вирази для визначення оцінки параметру тріщини на основі зміни власної частоти коливань лопатки.
Бурау Н.І., Бертман О.А., Гельман Л.М. Аналіз параметрів нелінійних коливань об‘єкту для діагностики та оцінювання втомних тріщин методом вільних коливань // Вісник ЖІТІ, 1998. - №8 /Технічні науки. – С.7-11.
Здобувачем отримано та проаналізовано нові вирази для вільних коливань моделі лопатки з тріщиною з урахуванням початкової нелінійності, вирази для визначення частот нелінійних коливань та спектральної щільності.
Здобувачем отримано та проаналізовано нові аналітичні вирази для коливань моделі лопатки з пошкодженням при нестаціонарному вібраційному збуренні.
Бурау Н.І. Аналіз моделей об’єкта діагностики з кусково-лінійною характеристикою відновлювальної сили і методів їх аналітичного дослідження // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. – 1999. - №3. – С.48-56.
Бурау Н.И., Гельман Л.М., Тяпченко А.Н. Оценивание трещин в лопатках ГТД по изменению спектральных амплитуд акустического сигнала // Авиационно-космическая техника и технология. – Харьков: Гос. Аэрокосмический ун-т «ХАИ», 1999. – Вып. 9. – С.284-288.
Здобувачем визначено та проаналізовано вільні коливання лопатки з тріщиною, визначено діагностичні ознаки, проведено аналіз отриманих оцінок.
Бурау Н.І., Марчук П.І. Дослідження коливань об‘єкту діагностики за нестаціонарного вузькосмугового вібраційного збурення. Частина 1. Кореляційний аналіз // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. – 2000. - №3. – С.31-39.
Здобувачемзапропоновано моделі нестаціонарного збурення та лопатки з тріщиною, при безпосередній участі здобувача отримано усі залежності для кореляційних функцій нестаціонарних коливань моделей лопатки, особисто здобувачем - узагальнене подання взаємної кореляційної функції, аналіз впливу тріщини на кореляційні функції нестаціонарних коливань лопатки.
Бурау Н.І., Марчук П.І. Дослідження коливань об‘єкту діагностики за нестаціонарного вузькосмугового вібраційного збурення. Частина 2. Спектральний аналіз // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. – 2000. - №5. – С.39-45.
Здобувачу належатьбезпосередня участь в отриманні усіх аналітичних залежностей для спектральних щільностей нестаціонарних коливань моделей лопатки, аналіз впливу тріщини на спектральну щільність нестаціонарних коливань лопатки.
Бурау Н.И., Тяпченко А.Н. О статистических характеристиках оценок относительного размера трещины по методу высших гармоник // Дефектоскопия. – 2000. - №5. – С.89-95.
Здобувачем визначено та проаналізовано вільні коливання лопатки з тріщиною, діагностичні ознаки тріщини, проведено статистичний аналіз отриманих оцінок.
Бурау Н.И., Тяпченко А.Н. Виброакустическая диагностика и оценивание усталостных трещин по изменению фазы спектральной плотности свободных колебаний изделий // Високі технології в машинобудуванні: Зб. наук. праць ХДПУ. – Харків, 2000. – Вип. 1(3). – С.32-37.
Здобувачу належать визначення дійсної та уявної частин спектральної щільності вільних коливань моделі лопатки з тріщиною, аналіз отриманих оцінок.
Бурау Н.И., Марчук П.И. О применении Wavelet-преобразования для обработки нестационарных сигналов в задачах виброакустической диагностики трещин в лопатках газотурбинных двигателей // Авиационно-космическая техника и технология. – Харьков: Гос. Аэрокосмический ун-т «ХАИ», 2000. – Вып. 19. – С.443-448.
Здобувачем обґрунтовано доцільність застосування Вейвлет-перетворення, запропоновано методику та схеми моделювання, проаналізовано результати.
Бурау Н.І., Тяпченко О.М. Оцінювання втомних тріщин за зміною спектральної щільності потужності вільних коливань об’єкта // Наукові вісті НТУУ “КПІ“. – 2000. - №6. – С.67-75.
Здобувачу належать визначення дійсної та уявної частин спектральної щільності, визначення діагностичних ознак, аналіз отриманих оцінок.
Бурау Н.И. Динамическая модель газотурбинного двигателя как объекта виброакустической диагностики усталостных трещин в лопатках рабочих колес // Вибрации в технике и технологиях. – 2001. - №1(17). – С.28-32.
Бурау Н.И., Марчук П.И. Виділення діагностичних ознак тріщини в лопатках авіаційних двигунів шляхом Вейвлет-перетворення нестаціонарного акустичного сигналу // Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів: Зб.наук. праць: Київ-Львів, 2001. – Вип. 6. – С.219-226.
Здобувачем запропоновано методику та схеми моделювання та обробки сигналів, проведено аналіз та узагальнення результатів.
Бурау Н.І., Тяпченко О.М., Посуховський Д.В. Імітаційне моделювання процесу діагностики та оцінювання втомних тріщин за методом вільних коливань // Авіаційно-космічна техніка і технологія. – Харків, 2001. – Вип. 26. – С.151-153.
Здобувачем визначено методику та схему імітаційного моделювання, визначено модель лопатки з тріщиною, проведено аналіз та узагальнення результатів.
Бурау Н.И., Марчук П.И., Тяпченко А.Н. Анализ современных методов обработки акустических сигналов для их использования в задачах виброакусти-ческой диагностики // Акустичний вісник. – 2001. – 4, №4. – С.3-10.
Здобувачем запропоновано та обґрунтовано методи обробки інформації, проведено аналіз та узагальнення результатів.
Бурау Н.И. О новых направлениях в развитии виброакустических методов диагностики прочностных дефектов в лопатках газотурбинных двигателей // Вибрации в технике и технологии. – 2001. - №4(20). – С.45-48.
Бурау Н.И., Зажицкий А.В., Тяпченко А.Н. Классификация состояния объекта виброакустической диагностики с использованием нейротехнических структур // Авіаційно-космічна техніка і технологія. – Харків, 2002. – Вип. 31. – С.181-185.
Здобувачем проведено обґрунтування вибору типу нейронних мереж для розпізнавання стану лопаток.
Бурау Н.И. Теоретические исследования временных и частотных характеристик нестационарной модели виброакустической диагностики // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. – 2002. - №1. – С.13-17.
Бурау Н.І., Сопілка Ю.В. Виділення діагностичних ознак початкових міцнісних дефектів в елементах машин і механізмів// Наукові вісті НТУУ “КПІ”. – 2002. - №5. – С.54-58.
Здобувачем запропоновано використання безрозмірних амплітудних дискримінант, методики та схеми моделювання, проведено аналіз результатів.
Бурау Н.И., Марчук П.И., Яценко А.Б. Моделирование и анализ вибрационных процессов для диагностики роторных деталей турбомашин// Вибрации в технике и технологии. – 2002. – № 3(24). – С.15-18.
Здобувачем розроблено структуру, визначені вимоги до функціональних можливостей системи та всі аналітичні залежності для програмної реалізації.
Бурау Н.И., Сопилка Ю.В. Повышение чувствительности дискриминантных признаков трещины в задачах виброакустической диагностики элементов роторных систем // Акустичний вісник. – 2003. – Т.6, №. 3– С.10-17.
Здобувачем запропоновано використання попередньої обробки виміряних сигналів за Вейвлет-перетворенням, проаналізовано отримані результати.
Игнатович С.Р., Бурау Н.И., Тяпченко А.Н. Результаты экспериментальных исследований виброакустического метода свободных колебаний для диагностики роторных элементов авиационных двигателей // Авіаційно-космічна техніка і технологія. – Харків, 2003. – Вип. 40/5. – С.79-81.
Бурау Н.І., Зажицький О.В. Аналіз ефективності розпізнавання технічного стану об’єкту віброакустичної діагностики нейронними мережами // Методи та прилади контролю якості. – 2003. - №11. – С.21-26.
Здобувачем запропоновано методику дослідження ефективності розпізнавання та нелінійне перетворення ознак для підвищення ефективності.
Бурау Н.И., Зажицкий А.В., Сопилка Ю.В. Распознавание состояния объекта виброакустической диагностики по результатам многомерного спектрального анализа// Техническая диагностика и неразрушающий контроль. – 2004. - №2 .– С. 3-8.
Здобувачем запропоновано використання біспектрального аналізу, методики та схеми моделювання, проведено аналіз ефективності розпізнавання.
Бурау Н.И. Оценка информативности диагностических признаков трещинно-подобных повреждений в лопатках ГТД // Авиационно-космическая техника и технология. – Харьков: «ХАИ», 2004. – Вып. 7(15). – С.179-183.
Бурау Н.И., Игнатович С.Р., Сопилка Ю.В. Частотно-временной и биспектральный анализ виброакустических сигналов для диагностики трещин в лопатках авиационных ГТД //Вестник двигателестроения. – Запорожье: ОАО «Мотор Сич», 2004. - №4. – С.101-107.
Здобувачем розроблено методику фізичного моделювання робочого колеса, обґрунтовано використання методів обробки інформації, проаналізовано та узагальнено результати.
Bouraou N., Gelman L. Theoretical Bases of Free Oscillation Method for Acoustical Non-Destructive Testing // Proc. of the 1997 National Conf. on Noise Control Engineering, Pennsylvania State University, June 1997, USA. – 1997. – Book 1. – P.519-524.
Bouraou N., Bertman A., Gelman L. Low-Frequency Vibroacoustical Free Oscillation Method for Non-Destructive Testing and Evaluation of Fatigue Cracks // Proc. of the 2nd International Conf. on Computer Methods and Inverse Problems in NDT&D (Minsk, Belarus). – DGZfP, Berlin. – 1998. - P.51-56.
Бурау Н.І., Гельман Л.М. Теоретичні основи акустичного методу вимушених коливань для неруйнівного контролю обертових систем // Сб. тр. ІІ Международной конф. «Динамика роторных систем». – Хмельницкий: ТУП, 1998. – С.68-71.
Bouraou N., Marchuk P., Tyapchenko A. Vibroacoustical Diagnosis and Fault Evaluation of the Turbomachine Rotating Details // Proc. Of the XIX Congress on Vibration in Physical System, Poznan-Blazejevko (Poland). - 2000. – P. 66-67.
Bouraou N., Marchuk P., Tyapchenko A. Condition Monitoring Diagnosis Method of Aircraft Engine Rotating Details // Proc.of the 15th World Conf. On Non-Destructive Testing. – Italy: AIPnD, created by NDT.net. – 2000. – 11 p.
Бурау Н.И. Теория и применение методов свободных и вынужденных колебаний для диагностики повреждений вращающихся деталей авиационных двигателей // Тез. докл. Международной конф. по проблемам управления в трех томах, Т.2. – М.: Фонд “Проблемы управления”, 1999. – С.137.
Bouraou N. Numerical Simulation and Signal Processing of the Non-Stationary Acoustical Signal for Fatigue Crack Extraction// Abstracts Book of the European Conference on NDT, Barcelona, Spain. - 2002. - p.55.
Бурау Н.И. Имитационное моделирование и обработка акустических сигналов для виброакустической диагностики усталостных трещин в лопатках газотурбинных двигателей// Тез. допов. ІІ Міжнародної наук.-техн. конф. “Проблеми динаміки і міцності в газотурбобудуванні”. – Київ: Ін-т проблем міц-ності НАН України, 2004. – С.25-26.
Игнатович С.Р., Карускевич М.В., Бурау Н.И., Карускевич О.М. Комплексная диагностика усталостной поврежденности авиационных конструкций // Тез. допов. ІІ Міжнародної наук.-техн. конф. “Проблеми динаміки і міцності в газотурбобудуванні”. – Київ: Ін-т проблем міц-ності НАН України, 2004. – С.79-80.
Bouraou N.I., Protasov A.G., Zazhistskiy O.V., Sopilka Y.V. Decision Making of Aircraft Engine Blades Condition Based on Bispectral Analysis of the Vibroacoustical Signal // Abstracts on Review of Progress in QNDE, Golden, Colorado. – 2004. – p.68.
