Газотурбинные двигатели – 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.
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 создаёт 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 её предотвратить.
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.
– 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.
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.
