КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕСУРСА ВОЗДУШНОГО ВИНТА НА ОСНОВЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ Российский патент 2022 года по МПК B64F5/00 B64C11/00 G01M13/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к системе контроля технического состояния воздушного винта и к способу, использующему эту систему.

Уровень техники

Воздушные винты повсеместно используются в авиационной отрасли как средство обеспечения тяги для летательных аппаратов. Воздушные винты могут приводиться в движение любым типом двигателя, хотя в современных летательный аппаратах они обычно приводятся в движение газотурбинными двигателями.

Воздушные винты содержат центральную вращающуюся втулку с некоторым количеством вращающихся лопастей, каждая из которых содержит аэродинамическую секцию, создающую тягу. Как можно понять, воздушные винты являются ключевыми компонентами летательного аппарата, приводимого в движение воздушными винтами, и поэтому необходимо, чтобы они содержались в надлежащем техническом состоянии. Выход из строя воздушного винта может значительно снизить тягу летательного аппарата и может привести к тому, что ему не хватит подъемной силы, необходимой для поддержания полета.

Летный час (FH), полетный цикл (FC) и календарный день являются основными эксплуатационными параметрами, регистрируемыми в процессе эксплуатации, для контроля усталостного ресурса воздушного винта и планирования работ по техническому обслуживанию. Использование этих параметров для оценки возможности использования летательных аппаратов основывается на предположениях, которые могут привести к результатам, значительно отличающимся от реальных. В результате, контроль состояния технического ресурса на основе FH может привести к заниженной оценке выработки усталостного ресурса воздушного винта. Это может привести к повреждению критических компонентов воздушного винта вследствие усталости, что приведет к потенциально опасному состоянию.

Следовательно, существует потребность в системе, которая может более точно отслеживать техническое состояние воздушных винтов, чтобы оценить, может ли потребоваться техническое обслуживание или замена.

Раскрытие сущности изобретения

Согласно первому аспекту предоставлена система контроля технического состояния воздушного винта, содержащая: блок обработки информации с процессором, который запрограммирован для применения некоторого количества алгоритмов к вводимым данным в отношении параметров летательного аппарата; некоторое количество входных данных для ввода данных в отношении параметров летательного аппарата в алгоритмы, при этом процессор выполнен с возможностью применения алгоритмов, основанных на знании физических процессов, к данным в отношении параметров летательного аппарата, чтобы определить по меньшей мере выработку усталостного ресурса одного или нескольких критических компонентов воздушного винта; и устройство вывода информации, которое может выводить наблюдателю индикацию определенной выработки усталостного ресурса.

Алгоритмы могут представлять собой алгоритмы, основанные на знании физических процессов, или алгоритмы, полученные эмпирическим путем.

Алгоритмы могут быть основаны на знании физических процессов, а могут быть получены эмпирическим путем.

Алгоритмы могут представлять собой алгоритмы определения условий. В частности, эти алгоритмы могут представлять собой алгоритмы определения условий, основанные на физических принципах, или они могут быть получены на основе эмпирических рассуждений.

Выработка усталостного ресурса может быть определена на основе коэффициента фактического использования летательного аппарата.

Система может содержать воздушный винт.

Устройство вывода информации может содержать устройство визуального отображения в кабине летательного аппарата.

Выработка усталостного ресурса может отображаться как процент от утвержденного численного значения усталостного ресурса. Числовое значение усталостного ресурса может представлять собой утвержденное для авиации числовое значение усталостного ресурса.

Если выработка усталостного ресурса достигает заранее заданного порогового значения, может срабатывать предупреждение о необходимости технического обслуживания. Заранее заданное пороговое значение может находиться в диапазоне от 80% до 99% от утвержденного числового значения усталостного ресурса.

Если нагрузка на воздушной винт превышает заранее заданное значение, может сработать предупреждение о необходимости технического обслуживания. Заранее заданное значение может представлять собой значением в диапазоне от 80% до 99% от максимального значения нагрузки воздушного винта или может представлять собой значение равное или превышающее 100% от максимального числового значения нагрузки воздушного винта. Это может быть заранее заданное числовое значение нагрузки на воздушный винт, которое вводится из соображений безопасности.

Если в полете обнаруживается большая выработка технического ресурса, то может сработать предупреждение о необходимости технического обслуживания. Выработка технического ресурса может представлять собой значение в диапазоне от 80% до 99% от заранее заданного числового значения выработки технического ресурса, например такое, которое считается безопасным для летательный аппарата или может представлять собой значение равное или превышающее 100% от заранее заданного/максимального показателя выработки технического ресурса.

Блок обработки информации может представлять собой электронно-цифровую систему управления двигателем с полной ответственностью (FADEC).

Данные о параметрах летательного аппарата могут быть предоставлены FADEC.

Система может включать в себя летательный аппарат с некоторым количеством датчиков для обнаружения различных типов данных о параметрах летательного аппарата и схемы обмена информацией для подачи данных о параметрах летательного аппарата в FADEC.

Данные в отношении летательного аппарата могут содержать один или несколько параметров из перечисленного: воздушная скорость, высота, положение закрылков, ориентация летательного аппарата, угловая скорость по тангажу, угловая скорость крена, угловая скорость рыскания и число оборотов воздушного винта в единицу времени, а также, необязательно, параметры двигателя, которые включают в себя один или несколько параметров из перечисленного: число оборотов в единицу времени, установка режима работы двигателя, тяга, температура, мощность на валу двигателя, отношения крутящего момента и давления.

Согласно второму аспекту предоставлен способ контроля технического состояния воздушного винта, содержащий: ввод данных в отношении параметров летательного аппарата в некоторое количество алгоритмов; определение, посредством процессора блока обработки информации, по меньшей мере выработки усталостного ресурса одного или нескольких критических компонентов воздушного винта с использованием некоторого количества алгоритмов на основе данных в отношении параметров летательного аппарата; и вывод наблюдателю индикации установленной выработки усталостного ресурса.

Алгоритмы могут представлять собой алгоритмы, основанные на знании физических процессов, или алгоритмы, полученные эмпирическим путем.

Алгоритмы могут быть основаны на знании физических процессов, а могут быть получены эмпирическим путем.

Алгоритмы могут представлять собой алгоритмы определения условий. В частности, эти алгоритмы могут представлять собой алгоритмы определения условий, основанные на физических принципах, или они могут быть получены на основе эмпирических рассуждений.

Способ может дополнительно содержать этап вывода наблюдателю индикации установленной выработки усталостного ресурса в процентах от утвержденного числового значения усталостного ресурса. Числовое значение усталостного ресурса может быть утверждено полномочными органами авиационной администрации.

Способ может дополнительно содержать этап сравнения выработки усталостного ресурса с заранее заданным пороговым значением.

Если выработка усталостного ресурса достигает заранее заданного порогового значения, способ может дополнительно включать в себя этап срабатывания предупреждения о необходимости технического обслуживания.

Краткое описание чертежей

Некоторые варианты осуществления данного изобретения описаны ниже, исключительно в качестве примеров и со ссылками на прилагаемые графические материалы, на которых:

Фигура 1 демонстрирует систему для определения выработки усталостного ресурса различных критических компонентов воздушного винта на основе полученных данных в отношении летательного аппарата, а

Фигура 2 демонстрирует летательный аппарат, содержащий систему для определения выработки усталостного ресурса различных критических компонентов воздушного винта на основе полученных данных в отношении летательного аппарата.

Осуществление изобретения

Для технического обслуживания летательного аппарата необходимо, чтобы он находился на земле в течении некоторого периода времени, что сокращает время, в течение которого он может находиться в эксплуатации, и увеличивает эксплуатационные затраты на летательный аппарат в расчете на милю.

Каждый воздушный винт состоит из нескольких компонентов, некоторые из которых могут быть обозначены как критические, а другие - как некритические. Критические компоненты воздушного винта представляют собой компоненты, которые необходимы для нормального функционирования воздушного винта. Каждому критическому компоненту может быть назначен утвержденный полномочными органами авиационной администрации срок службы, который может быть указан в летных часах (FH) на основе всесторонних испытаний продукта для получения утверждения. По мере того, как компонент приближается к утвержденному сроку службы, продукт обычно заменяют (поскольку вероятность выхода из строя может значительно возрастать) или появляется возможность выполнить ремонт. Усталостные свойства могут быть основным фактором при определении утвержденного срока службы, но другие свойства, такие как устойчивость к ползучести, коррозионная стойкость и т.д. также могут быть факторами.

В существующих системах основные рабочие параметры, такие как летные часы, используются для определения срока службы и интервалов обслуживания таких частей летательный аппарата, как воздушный винт, например, лопастей воздушного винта, втулки воздушного винта и других деталей, подверженных циклическим нагрузкам в двигателе (например, деталях турбины) или креплениях. Другими типичными используемыми параметрами являются полетный цикл (FC) и календарный день, которые регистрируются во время обслуживания летательного аппарата, чтобы отслеживать такие факторы, как усталостный ресурс воздушного винта, и на основе таких факторов составлять график работ по техническому обслуживанию.

Способ использования параметров FH, FC и календарного дня для оценки коэффициента использования летательного аппарата основан на предположениях, которые могут привести к существенно разным результатам при рассмотрении фактического использования компонентов летательного аппарата. Если контроль состояния усталостного ресурса на основе этих данных дает завышенную оценку использования компонентов, то может быть проведено не являющееся необходимым техническое обслуживание и детали могут быть заменены слишком рано. Аналогичным образом, если использование этих параметров приводит к недооценке выработки усталостного ресурса, это может отрицательно сказаться на безопасности летательного аппарата.

В варианте осуществления изобретения, показанном на Фигуре 1, контроль состояния усталостного ресурса основан на конкретных данных 10 в отношении параметров летательного аппарата с использованием входных физических факторов, а не на необработанных показаниях FH, FC и календарных дней, хотя эти параметры также могут использоваться при оценке контроля состояния усталостного ресурса. Система контроля технического состояния воздушного винта не требует никакого дополнительного контрольно-измерительного оборудования на воздушных винтах летательного аппарата, кроме датчиков, которые могут уже присутствовать для информирования пилота об условиях полета. Вместо этого данные 10 в отношении параметров летательного аппарата для расчетов использования компонентов могут быть взяты из FADEC (электронно-цифровая система управления двигателем с полной ответственностью) 200 во время каждого полета или в конце данного полетного цикла.

Данные 10 в отношении параметров летательного аппарата, взятые из FADEC 200, могут представлять собой любые данные, имеющие отношение к усталостному ресурсу воздушного винта. Например, типичные данные в отношении параметров летательного аппарата могут содержать один или несколько параметров из перечисленного: воздушная скорость, высота, скорость воздушного винта, шаг воздушного винта, мощность, взлетная масса летательного аппарата, коэффициент загрузки и т.д. Данные 10 в отношении параметров летательного аппарата могут дополнительно содержать данные о параметрах воздушного винта и двигателя, например, число оборотов в единицу времени, установки режима работы двигателя, тяга, температура двигателя, степень давления в двигателе и т.д.

Предоставляемые данные в отношении параметров летательного аппарата могут относиться ко всему полетному циклу, который включает в себя различные этапы эксплуатации летательного аппарата, в частности, взлет, крейсерский полет, посадку и реверсивное движение, но также могут относиться к этапам набора высоты и снижения. Чем больше диапазон контролируемых этапов полета, тем точнее могут быть рассчитаны значения усталостного ресурса используемых компонентов.

Данные 10 в отношении параметров летательного аппарата, хранящиеся в FADEC 200, могут быть переданы в процессор 300, который содержит систему 12 определения этапов полета летательного аппарата. Система 12 определения полета летательного аппарата использует данные 10 в отношении параметров летательного аппарата, предоставленные FADEC, для определения этапа полета, в котором находится летательный аппарат.

Соответствующие данные в отношении параметров летательного аппарата могут быть введены в набор алгоритмов, специально разработанных для воздушного винта, и, в частности, в такие алгоритмы, которые адаптированы к характеристикам воздушного винта и/или летательного аппарата. Алгоритмы могут представлять собой алгоритмы, основанные на знании физических процессов, или алгоритмы, полученные эмпирическим путем. В качестве альтернативы, алгоритмы могут содержать как алгоритмы, основанные на знании физических процессов, так и алгоритмы, полученные эмпирическим путем. Алгоритмы могут представлять собой алгоритмы определения условий. В частности, эти алгоритмы могут представлять собой алгоритмы определения условий, основанные на физических принципах, или они могут быть получены на основе эмпирических рассуждений. Алгоритмы могут быть перенастроены в соответствии с каждым этапом полета. На основе входных данных 10 в отношении параметров летательного аппарата алгоритмы могут включать в себя расчеты 14 нагрузки для определения условий нагрузки для каждой критической части воздушного винта и определения напряжений на каждом критическом компоненте во время этапа полета. Например, таким компонентом может быть лопасть воздушного винта. В зависимости от этапа полета каждый компонент воздушного винта может испытывать разные условия нагрузки.

Используя выходные данные расчетов 14 нагрузки, модуль 16 анализа может определить взаимосвязь между условиями нагрузки и усталостными напряжениями. Например, модуль 16 анализа может использовать анализ методом конечных элементов или кривые усталости материалов. Выходные данные модуля 16 анализа могут быть далее возвращены в алгоритмы. Затем алгоритмы можно использовать для определения выработки фактического усталостного ресурса 18 для каждого критического компонента воздушного винта.

Действия 20 по техническому обслуживанию можно запланировать на основании выработки усталостного ресурса каждой критической части.

На Фигуре 2 показан летательный аппарат 100, использующий систему согласно настоящему варианту осуществления изобретения. Летательный аппарат состоит из фюзеляжа 106 и двух крыльев 108. Каждое крыло 108 содержит воздушный винт 102. Следует понимать, что каждое крыло 108 может содержать дополнительные воздушные винты 102. Например, летательный аппарат может содержать в общей сложности четыре или даже шесть воздушных винтов 102, или может содержать любое количество воздушных винтов 102 в любой пространственной компоновке. В качестве альтернативы, летательный аппарат 100 может содержать единственный воздушный винт 102, установленный на фюзеляже. Кроме того, могут быть использованы другие пространственные компоновки крыла и фюзеляжа.

Каждый воздушной винт 102 содержит втулку 104 воздушного винта и две или большее количество лопастей 103, соединенных со втулкой 104 воздушного винта. Воздушные винты 102 на Фигуре 2 изображены как такие, которые имеют четыре лопасти 103. В качестве альтернативы, воздушные винты 102 могут содержать две, три, пять или шесть лопастей 103 (или другое количество лопастей).

Данные в отношении параметров летательного аппарата могут быть предоставлены бортовым компьютером 200. Бортовой компьютер 200 может представлять собой FADEC. Бортовой компьютер 200 обычно устанавливается в пределах фюзеляжа 106. Данные в отношении параметров летательного аппарата подаются в процессор 300, который применяет к данным набор алгоритмов для определения выработки усталостного ресурса критических частей воздушного винта 102.

Процессор 300 может быть отдельным вычислительным устройством, либо на летательном аппарате, либо как часть удаленного наземного оборудования в случае когда загрузка и анализ данных выполняются с использованием наземного устройства. Обработка и анализ данных в отношении параметров летательного аппарата могут выполняться на удаленных серверах, например, с использованием облачных технологий. В качестве альтернативы, процессор 300 может быть обрабатывающей секцией FADEC/бортового компьютера 200 или каким-либо другим существующим устройством на базе процессора, которое уже является частью инфраструктуры летательного аппарата.

Система может обеспечивать вывод результатов вычисленной выработки компонентов на дисплей 400 в кабине экипажа, например, отображение выработки усталостного ресурса для каждого критического компонента воздушного винта, такого как лопасть воздушного винта. Такое отображение может быть представлено в виде процента усталостного ресурса, выработанного для каждого компонента, например, по сравнению со значением, утвержденным полномочными органами авиационной администрации. Члены экипажа могут использовать данные с дисплея 400 для соответствующего планирования технического обслуживания, например, если показатель усталостного ресурса конкретного компонента приближается к его граничному значению. Эти данные также могут предупредить экипаж в случае, когда они эксплуатируют летательный аппарат в условиях с высокими показателями выработки технического ресурса. Если выработка усталостного ресурса превышает заранее заданное пороговое значение, система может иметь возможность отображать предупреждение о необходимости технического обслуживания. Заранее заданное пороговое значение может составлять от 80% до 99%, в качестве варианта - от 85% до 95%, в качестве варианта - 90% утвержденного срока службы.

Система также может обеспечивать загрузку вычисленных данных на сервер 500 на земле после окончания полетного цикла. Затем сервер 500 на земле может проводить пост-обработку данных полета и выработки усталостного ресурса критических деталей. Данные, загруженные на сервер 500, могут использоваться для составления базы данных и могут быть подключены к системе управления компонентами для индивидуального контроля состояния выработки технического ресурса, компонент за компонентом.

Сервер 500 может загружать данные для многочисленных полетных циклов для одного и того же летательного аппарата. Затем можно сравнить данные в результирующей базе данных, чтобы проанализировать выработку усталостного ресурса с течением времени.

Серверу 500 могут быть предоставлены данные из каждого полетного цикла для различных условий работы. Таким образом, данные можно использовать для анализа влияния различных условий эксплуатации на показатель выработки усталостного ресурса различных деталей. Это может быть использовано экипажем для будущих полетных циклов для определения соответствующих условий эксплуатации с учетом влияния, которое эти условия могут оказывать на выработку усталостного ресурса. Кроме того, анализируя степень выработки усталостного ресурса можно более точно предсказать, когда критическая деталь может достичь утвержденного предела срока службы. Следовательно, можно избежать чрезмерных условий эксплуатации или управлять ими соответствующим образом.

Отображение в кабине экипажа может обновляться в режиме реального времени на протяжении любого полета. Отображение может предоставить экипажу данные для различных компонентов воздушного винта, и тогда экипаж сможет соответствующим образом управлять летательным аппаратом. Например, в случае, если показатель усталостного ресурса критического компонента конкретного воздушного винта приближается к его граничному значению, экипаж может в экстремальной ситуации отключить этот воздушной винт или эксплуатировать его на пониженной мощности.

В дополнение к этому, на основе данных, отображаемых на дисплее кабины экипажа, может быть запланировано техническое обслуживание летательного аппарата, когда оно необходимо. Это позволяет избежать необходимости приостанавливать эксплуатацию летательного аппарата на значительный период времени для выполнения технического обслуживания, которое на является необходимым. Таким образом, настоящая система снизит общие эксплуатационные затраты на летательный аппарат в расчете на милю за счет повышения эксплуатационной готовности летательного аппарата.

Благодаря возможности точно отслеживать выработку усталостного ресурса для каждого компонента, система может максимизировать срок службы критически важных деталей. Это можно достичь за счет «простоя» конкретных деталей, когда это возможно, чтобы продлить срок их службы.

Точное определение того, когда действительно требуется техническое обслуживание воздушного винта, упрощает логистику операций по техническому обслуживанию и ремонту. Вместо того, чтобы использовать необходимые ресурсы для технического обслуживания, которое не требуется, их можно направить на неотложные дела. Кроме того, система позволяет отслеживать ухудшение параметров системы в режиме реального времени, и таким образом можно определить, когда компонент может выйти из строя. Соответственно, можно запланировать техническое обслуживание.

Группа изобретений относится к системе и способу контроля технического состояния воздушного винта. Система содержит блок обработки информации с процессором, устройство вывода информации. Для контроля технического состояния воздушного винта осуществляют ввод данных в отношении параметров летательного аппарата в алгоритмы, на основе которых определяют посредством процессора блока обработки один или несколько критических компонентов воздушного винта и усталостный ресурс на основе фактического использования летательного аппарата, осуществляют вывод полученной информации наблюдателю. Обеспечивается повышение безопасности полета за счет повышения точности отслеживания технического состояния воздушных винтов для проведения своевременного технического обслуживания. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система контроля технического состояния воздушного винта, содержащая:

блок обработки информации с процессором, который запрограммирован для применения алгоритмов к вводимым данным в отношении параметров летательного аппарата;

входные данные для ввода данных в отношении параметров летательного аппарата в алгоритмы, при этом процессор выполнен с возможностью применения алгоритмов к данным в отношении параметров летательного аппарата для определения по меньшей мере выработки усталостного ресурса одного или большего количества критических компонентов воздушного винта;

и устройство вывода информации, которое может выводить наблюдателю индикацию установленной выработки усталостного ресурса;

отличающаяся тем, что выработка усталостного ресурса определяется на основе фактического использования летательного аппарата.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что устройство вывода содержит устройство визуального отображения в кабине летательного аппарата.

3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что выработка усталостного ресурса отображается как процент от утвержденного числового значения усталостного ресурса.

4. Система по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что предупреждение о необходимости технического обслуживания срабатывает в случае, если:

выработка усталостного ресурса достигает заранее заданного порогового значения;

нагрузка на воздушный винт превышает заранее заданное значение; и/или в полете обнаруживается большая выработка технического ресурса.

5. Система по п. 4, отличающаяся тем, что:

заранее заданное пороговое значение находится в диапазоне от 80% до 99% от утвержденного числового значения усталостного ресурса;

нагрузка на воздушный винт представляет собой значение, которое находится в диапазоне от 80% до 99% от максимального значения нагрузки на воздушный винт, или представляет собой значение, равное или превышающее 100% от максимального числового значения нагрузки на воздушный винт;

и/или полетная выработка технического ресурса представляет собой значение в диапазоне от 80% до 99% от максимального числового значения выработки технического ресурса, или значение, равное или превышающее 100% от максимального числового значения выработки технического ресурса.

6. Система по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что блок обработки информации находится в пределах электронно-цифровой системы управления двигателем с полной ответственностью (FADEC - англ.: Full Authority Digital Engine Control), и/или в которой данные в отношении параметров летательного аппарата предоставляются FADEC.

7. Система по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что система содержит летательный аппарат с датчиками для обнаружения различных типов данных в отношении параметров летательного аппарата и схемы обмена информацией для подачи данных в отношении параметров летательного аппарата в FADEC.

8. Система по п. 7, отличающаяся тем, что данные в отношении летательного аппарата могут содержать один или несколько параметров из перечисленного: воздушная скорость, высота, положение закрылков, ориентация летательного аппарата, угловая скорость по тангажу, угловая скорость крена, угловая скорость рыскания и число оборотов воздушного винта в единицу времени, необязательно, данные в отношении летательного аппарата дополнительно содержат данные в отношении двигателя, которые включают в себя один или несколько параметров из перечисленного: число оборотов в единицу времени, установка режима работы двигателя, тяга, температура двигателя, мощность на валу двигателя, отношение крутящего момента и давления.

9. Способ контроля технического состояния воздушного винта, который включает в себя:

ввод данных в отношении параметров летательного аппарата в алгоритмы;

определение, посредством процессора блока обработки информации, по меньшей мере выработки усталостного ресурса одного или нескольких критических компонентов воздушного винта с использованием алгоритмов на основе данных в отношении параметров летательного аппарата;

и вывод наблюдателю индикации установленной выработки усталостного ресурса;

отличающийся тем, что выработку усталостного ресурса определяют на основе фактического использования летательного аппарата.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что способ дополнительно включает в себя этап вывода наблюдателю индикации установленной выработки усталостного ресурса в процентах от утвержденного числового значения усталостного ресурса, необязательно числового значения усталостного ресурса, утвержденного полномочными органами авиационной администрации.

11. Способ по п. 9 или 10, отличающийся тем, что способ дополнительно включает в себя этап сравнения выработки усталостного ресурса с заранее заданным пороговым значением.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что способ дополнительно включает в себя этап срабатывания предупреждения о необходимости технического обслуживания, если выработка усталостного ресурса достигает заранее заданного порогового значения.