Газотурбинные двигатели (ГТД) — это 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.
Подобный двигатель рассчитан на работу в строго определенных режимах. Любое серьезное отклонение — резкий маневр самолета, попадание в турбулентность, неисправность клапана — может нарушить стабильный поток воздуха внутри компрессора (части двигателя, которая сжимает воздух). Мощные вибрации и ударные нагрузки приводят к необратимому механическому разрушению лопаток и турбины, что влечет за собой дорогостоящий ремонт. Кроме того, резкие изменения в критических фазах полета (при взлете или посадке) создают прямую угрозу безопасности и могут вызвать выброс пламени и пожар.
Самым опасным и классическим проявлением срыва воздушного потока в двигателе является помпаж. Это мгновенная и полная потеря устойчивости газового потока внутри компрессора. В этот момент мощная воздушная масса «срывается» и начинает биться в ограниченном пространстве. Помпаж считается самым опасным явлением именно из-за своей внезапности, скорости развития и комплексного разрушительного воздействия: он одновременно создает сильные механические перегрузки, способные сломать лопатки, вызывает потерю тяги, угрожая безопасности полета.
Система управления двигателя должна распознать первые признаки начинающегося помпажа и мгновенно принимать меры: обычно — кратковременно отсекать подачу топлива, чтобы сбросить давление и стабилизировать поток. Промедление даже на несколько миллисекунд означает, что разрушительные колебания успеют набрать силу.
Чтобы уловить первые, едва заметные признаки помпажа, десятки датчиков, встроенных в двигатель, непрерывно фиксируют малейшие изменения давления и вибрации и передают показатели в виде плавного, непрерывного сигнала. Однако современная система управления двигателем— это мощный компьютер, который работает только с цифровыми данными. Поэтому перед анализом этот плавный сигнал нужно моментально оцифровать: превратить в поток отдельных, но очень частых числовых значений. Так система управления сможет проанализировать показатели датчиков и принять решение (например, увеличить подачу топлива или, наоборот, отсечь ее).
Эту задачу перевода из одной формы данных в другую выполняет аналого-цифровой преобразователь (АЦП). От скорости и точности его работы зависит, насколько быстро система управления двигателем узнает об опасности и успеет ее предотвратить.
Проблема в том, что существующие аналого-цифровые преобразователи лишены гибкости. Они всегда работают с одной и той же, строго заданной скоростью. В итоге преобразователь вынужден все время совершать чрезмерно долгий цикл измерений, из-за чего система управления получает информацию о нарушениях с опасным опозданием. В условиях аварийного режима, когда для спасения двигателя критически важна каждая миллисекунда, такая задержка может ускорить его разрушение.
Ранее ученые ПНИПУ уже создавали прототип нейронного аналого-цифрового преобразователя, который самостоятельно диагностировал поломку одного из своих измерительных элементов. Это критически важно для работы в космосе или других труднодоступных местах, где моментальный ремонт невозможен.
Сейчас ученые на основе прототипа создали модель нового аналого-цифрового преобразователя, позволяющего обнаружить помпаж в авиадвигателях на 47% быстрее традиционных решений.
Предложенная разработка — это 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. Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления».
— 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, — объяснил Антон Посягин, кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ.
Работает представленная система следующим образом. 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.
— Чтобы доказать эффективность идеи на практике, мы провели серию экспериментов в виртуальном испытательном стенде для систем управления авиадвигателями. В него мы интегрировали две модели «измерительных устройств»: штатный аналого-цифровой преобразователь, используемый в существующих системах, и новый нейронный. Сигнал, имитирующий реальный случай помпажа, подавался одновременно на оба устройства. Далее оцифрованные данные от каждого преобразователя анализировались специальным алгоритмом, который определял, насколько быстро и точно каждый прибор способен обнаружить опасный процесс, — рассказал Антон Наборщиков, старший преподаватель кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ.
Анализ результатов показал, что с традиционным аналого-цифровым преобразователем, несмотря на его точность, система управления обнаружила угрозу лишь через 19 миллисекунд после ее фактического возникновения. Нейронный преобразователь, благодаря умной адаптации, позволил справиться с этой задачей всего за 9 миллисекунд. Это означает сокращение времени обнаружения на 47%. Более ранняя диагностика позволила и быстрее устранить помпаж, сократив это время на 33,5%.
Разработка 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) и безопасность эксплуатации.
Ученые планируют дальнейшее развитие технологии: создание многоканального нейро-сетевого преобразователя для одновременного мониторинга нескольких датчиков, разработку физического макета для интеграции в реальные стенды и совершенствование алгоритмов.