Пермские ученые вдвое ускорили обнаружение нарушений в авиадвигателях

Основой основ современной авиации являются газотурбинные двигатели (ГТД) – мощные и компактные силовые установки, которые сжимают воздух и смешивают его с топливом. В авиации они создают тягу для самолетов, позволяя им подниматься в небо и совершать длительные перелеты. На флоте такие двигатели приводят в движение корабли и скоростные суда, а в промышленности их используют для привода насосов, компрессоров и генераторов.

Общая проблема авиадвигателей

Помпаж (внезапный срыв устойчивого потока воздуха в компрессоре, способный за считанные секунды привести к повреждению лопаток, потере тяги и пожару) считается самым опасным режимом работы этих двигателей. Возникает при резких отклонениях - маневрах или неисправностях. Поток воздуха внутри компрессора теряет устойчивость, вызывая мощные вибрации и ударные нагрузки. Во избежание разрушений система управления должна молниеносно реагировать – кратковременно снижать подачу топлива для стабилизации давления.

Бортовые компьютеры современных авиалайнеров работают только с цифровыми данными. Датчики давления и вибрации передают сигналы в виде непрерывной аналоговой формы, переводом которых занимается АЦП (аналого-цифровой преобразователь), от скорости работы которого зависит, насколько быстро система распознаёт угрозу. Фиксированная скорость - основная проблема традиционных АЦП. При любой работе двигателя - и стабильной, и аварийной, преобразователь совершает одинаково длительный цикл измерений, что приводит критически опасной задержке передачи данных в аварийных ситуациях.

Система управления двигателя должна распознать первые признаки начинающегося помпажа и мгновенно принимать меры: кратковременно отсекать подачу топлива, чтобы сбросить давление и стабилизировать поток. Малейшее промедление даже на несколько миллисекунд означает, что разрушительные колебания успеют набрать силу.

Прорывное решение пермских учёных

В Пермском национально – исследовательском политехническом университете (ПНИПУ) разработали адаптивный нейронный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для датчиков авиационных двигателей. Он реагирует на опасные колебания (помпаж) почти вдвое быстрее традиционных АЦП – 9 мс против 19 мс.

Ранее ученые ПНИПУ создали прототип нейронного АЦП, способного диагностировать собственные неисправности. Теперь они разработали модель адаптивного преобразователя, который самостоятельно оценивает динамику сигнала и изменяет скорость измерений.

Особенности разработки

Предложенная разработка является сложной самонастраивающейся системой, которая умеет оценивать обстановку и решать, насколько быстро нужно провести измерения в конкретный момент. В основе созданного аналого-цифрового преобразователя лежит специальный «блок», непрерывно анализирующий, насколько сильно изменился сигнал с момента предыдущего замера. Если давление в компрессоре начинает резко «скакать», блок понимает, что ситуация является потенциально опасной и требует от системы максимальной скорости обновления данных. Если же сигнал ровный, система измеряет его не так часто, экономя вычислительные ресурсы для повышения точности измерения до появления опасных скачков давления.

При возникновении резких скачков давления «блок» подает сигнал преобразователю, который мгновенно переключается в ускоренный режим работы. Система управления анализирует полученные данные и подтверждает наличие помпажа в двигателе, а затем она временно отсекает подачу топлива для стабилизации давления. После нормализации параметров работа двигателя возобновляется.

Наша разработка - сложная самонастраивающаяся система, которая умеет оценивать обстановку и решать, насколько быстро нужно провести измерения в конкретный момент. В основе созданного аналого-цифрового преобразователя лежит специальный «блок», непрерывно анализирующий, насколько сильно изменился сигнал с момента предыдущего замера. Если давление в компрессоре начинает резко «скакать», блок понимает, что ситуация динамичная и потенциально опасная, и требует от системы максимальной скорости обновления данных. Если же сигнал ровный, система измеряет его не так часто, экономя вычислительные ресурсы для повышения точности измерения до появления опасных скачков давления. На следующем этапе в работу включается созданная нейронная сеть. В данном случае это схема, собранная из множества одинаковых электронных блоков, соединенных в гибкое кольцо. Однако решение о том, какая точность нужна прямо сейчас, принимает не она, а специальный блок, который встроен в преобразователь и передает в нейронную сеть сигнал с датчиков. Получив конкретную команду, сеть оцифровывает показатели и передает их в систему управления

Антон Посягин

Кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ

Надёжность газотурбинных двигателей как основной приоритет

Разработка пермских ученых имеет огромное прикладное значение для повышения надежности авиационных газотурбинных двигателей. Она открывает путь к созданию и внедрению новых интеллектуальных, высокоскоростных систем управления, что повысит сохранность дорогостоящих компонентов (лопаток компрессора и турбины), безопасность эксплуатации и сохранит тысячи жизней.

Технология адаптивных АЦП интересна глобальному рынку двигателестроения и системным разработчикам авиаэлектроники. В случае если алгоритмы покажут стабильность и пройдут сертификацию, будет возможен экспорт разработки и лицензионное применение в зарубежных авиапроектах.