Using fractal analysis of the time-frequency spectra of vibroacoustical signals for diagnostic of gas-turbine engines
Вісник НТУУ "КПІ". Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування.
Переглянути архів Інформація| Поле | Співвідношення | |
| Title |
Using fractal analysis of the time-frequency spectra of vibroacoustical signals for diagnostic of gas-turbine engines
Использование фрактального анализа частотно-временных спектров виброакустических сигналов для диагностики газотурбинных двигателей Використання фрактального аналізу частотно-часових спектрів віброакустичних сигналів для діагностики газотурбінних двигунів |
|
| Creator |
Bouraou, N. I.
Ignatovich, S. R. Pazdrii, O. Ya. |
|
| Description |
The article is devoted to the improvement of signal processing methods of complex vibroacoustical signals for the diagnosis of initial crack-like damage in the blades of aircraft gas-turbine engines during operation. The low-frequency vibrational and acoustic noise in the range 0-10 kHz is used as diagnostic information, which is emitted by the engine during operation. Initial crack-like damage in the blade does not cause an increase in the overall level of vibroacoustical signals or their components. When the occurrence and initial propagation of damages change the signal structure, new components appear that are characterized by low energy capacity. The following signal processing methods are used in order to abstraction such components: time-frequency analysis, polyspectral (high-order spectral) analysis, scale-time analysis. However, the results of such signal processing are often quite complex for interpreting, comparing and deciding about the technical condition of the testing object. We propose an additional level of processing of diagnostic information, based on the methods of fractal analysis in order to increase the diagnostic value of the time-frequency spectra. The results of physical modeling and frequency-time analysis of vibroacoustical signals are presented. For this purpose, experimental studies of the forced vibrations of the physical model (turbine imitator) of the turbine are carried out under steady-state and non-steady-state vibration excitations. Two technical conditions of the turbine imitator are investigated: defect-free and the presence of an initial crack-like damage in one blade. We use the a time-frequency analysis based on Wigner-Wille pseudo-distribution to signal processing of vibroacoustical signals, which are emitted by a rotating turbine imitator during different excitation modes. The results of the time-frequency analysis are presented in the form of two-dimensional contour images characterizing the dependence of spectral estimates on the normalized frequency and time. At the second signal processing level, we determine fractal box-counting dimension (Minkowski dimension). Minkowski dimension is an integral numerical index that characterizes the geometry of the contour image, and allows to discriminate the turbine imitator conditions during operation at the different modes of vibrational excitation. We propose to use the Minkowski dimension as a diagnostic feature of a crack of the turbine blade. It is established that the Minkowski dimension is more sensitive to the occurrence of damage, in the case of its determination, not for full images, but for separate parts of images in different frequency ranges.
Статья посвящена усовершенствованию методов обработки виброакустических сигналов для диагностики начальных трещиноподобных повреждений в лопатках авиационных газотурбинных двигателей в процессе эксплуатации. В качестве диагностической информации используется низкочастотный вибрационный и акустический шум в диапазоне 0-10 кГц, который излучается двигателем в процессе эксплуатации. Начальные трещиноподобные повреждения лопаток не вызывают увеличение общего уровня виброакустических сигналов или их отдельных составляющих. При появлении и начальном развитии повреждений изменяется структура сигналов, появляются новые составляющие, характеризующиеся низкой энергетической емкостью. Для выделения таких составляющих используются методы частотно-временного, полиспектрального, масштабно-временного анализа. Однако результаты такого анализа часто являются достаточно сложными для интерпретации, сравнения и принятия решения о техническом состоянии объекта. Для повышения диагностической ценности частотно-часовых спектров предлагается дополнительный уровень обработки диагностической информации, основанный на методах фрактального анализа. В статье представлены результаты физического моделирования и частотно-временного анализа виброакустических сигналов. Для этого проведены экспериментальные исследования вынужденных колебаний физической модели (имитатора) рабочего колеса при стационарных и нестационарных вибрационных воздействиях. Исследованы два технических состояния имитатора: бездефектное и при наличии начального трещиноподобного повреждения в одной лопатке. Для обработки виброакустических сигналов, излучаемых вращающимся имитатором на разных режимах возбуждения, использовался частотно-временной анализ на основе псевдораспределения Вигнера-Вилля. Результаты анализа представлены в виде двумерных контурных изображений, характеризующих зависимость спектральных оценок от нормированной частоты и времени. На втором уровне, для каждого изображений определялась фрактальная клеточная размерность (размерность Минковского) - интегральный численный показатель, характеризующий геометрию контурного изображения и позволяющий различить состояния имитатора на разных режимах вибрационного возбуждения. Предложено использовать размерность Минковского в качестве диагностического признака трещины в лопатке рабочего колеса. Установлено, что размерность Минковского более чувствительна к появлению повреждения, в случае ее определения не для полных изображений, а для отдельных частей изображений в разных частотных диапазонах. Статтю присвячено вдосконаленню методів обробки віброакустичних сигналів для діагностики початкових тріщиноподібних пошкоджень в лопатках авіаційних газотурбінних двигунів під час експлуатації. Представлено результати фізичного моделювання бездефектного імітатора робочого колеса та при появі початкового пошкодження в одній з лопаток на стаціонарному та нестаціонарних режимах вібраційного збурення. Наведено результати частотно-часового аналізу виміряних віброакустичних сигналів на основі псевдорозподілу Вігнера-Вілля. Для підвищення діагностичної цінності частотно-часових спектрів запропоновано використання фрактального аналізу, зокрема визначення фрактальної клітинної розмірності (розмірності Мінковського) контурних зображень, якими представлено частотно-часові спектри віброакустичних сигналів у разі відсутності та наявності пошкодження. Встановлено, що розмірність Мінковського, як діагностична ознака, більш чутлива до появи пошкодження у разі її визначення не для повних зображень, а для частин зображень у різних частотних смугах. |
|
| Publisher |
National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
|
|
| Date |
2018-09-30
|
|
| Type |
info:eu-repo/semantics/article
info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
|
| Format |
application/pdf
|
|
| Identifier |
//radap.kpi.ua/radiotechnique/article/view/1513
10.20535/RADAP.2018.74.73-83 |
|
| Source |
Visnyk NTUU KPI Seriia - Radiotekhnika Radioaparatobuduvannia; No 74 (2018); 73-83
Вестник НТУУ "КПИ". Серия Радиотехника, Радиоаппаратостроение; № 74 (2018); 73-83 Вісник НТУУ "КПІ". Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування; № 74 (2018); 73-83 2310-0389 2310-0397 |
|
| Language |
ukr
|
|
| Relation |
//radap.kpi.ua/radiotechnique/article/view/1513/1351
|
|
| Rights |
Авторське право (c) 2018 Бурау Надія Іванівна, Паздрій Ольга Ярославівна, Ігнатович Сергій Ромуальдович
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
|