Информационное обеспечение процессов диагностирования для оценки технического состояния при управлении газотурбинными двигателями

Мировая энергетика в конце XX века столкнулась с необходимостью научиться создавать относительно недорогие машины с высокими техническими и совершенными экологическими параметрами. Эта потребность во многом обусловлена надвигающимся дефицитом органического топлива, а также ужесточением требований к уровню загрязнения окружающей среды.

Анализ тенденций развития энергетических машин свидетельствуют о том, что наиболее совершенные установки могут быть созданы с использованием газотурбинных технологий. Вполне обоснованно многие специалисты по энергетике считают XXI век — веком газотурбинных технологий [70].

Это мнение основывается на:

— высокой энергоёмкости газотурбинных установок, характеризуемой удельной мощностью 1−3 МВт/м3 (1−2 МВт/т) и значительной агрегатной мощностью (10 — 800 МВт);

— высоком КПД на режимах номинальной нагрузки;

— высокой манёвренности и готовности к действию (экстренное приготовление к действию 20−30 мин, время запуска 5−10 мин, время выхода на номинальный режим 15−20 мин);

— высокой автоматизации процессов управления, малой трудоёмкости технического обслуживания, высокой ремонтопригодности.

Энергетические программы промышленно развитых стран мира конца XX века и на первую половину XXI века подтверждают тенденцию широкого использования газотурбинных установок (ГТУ) для выработки энергии.

В середине прошлого столетия были достигнуты значительные успехи в развитии газотурбинных двигателей в военной авиации. Это обусдавливалось как политическим противостоянием двух мировых систем, так и борьбой за освоение газотурбинных технологий, свидетельствующих об уровне развития технического потенциала стран.

В разработке и создании газотурбинных двигателей третьего поколения принимали участие четыре страны: СССР, США, Франция, Англия. Двигателей четвертого поколения — только три, а двигателей пятого поколения — всего две: Россия и США.

К работам по созданию двигателей шестого поколения приступили только в США. Объясняется это тем, что затраты на создание двигателей «нового поколения» очень велики. Однако эти затраты оправдываются тем, что газотурбинные технологии станут основой дальнейшего развития индустрии высокоразвитых промышленных стран мира на ближайшие 50 лет.

Известно, что промышленное применение газовых турбин началось с конверсии авиационных ГТД, но в настоящее время промышленная газотурбинная техника во всем мире развивается более интенсивно. Это привело к тому, что отработка самых передовых газотурбинных технологий зачастую опережает развитие авиационных двигателей, являясь базой уже для совершенствования авиации.

В 1992 году в США была принята программа «Advanced Turbine System» (ATS) — «Передовые турбинные системы» с целью создания ГТУ с КПД простого цикла 40%, в комбинированном цикле — 60%- снижения эмиссии ЫО"до уровня не более 9 ррт, а СО — не более 20 ррт за свободной турбиной без внешних систем подавления вредных выбросов при сохранении или повышении уровня надежности. Прошедшие годы показали, что эта программа во многом выполнена.

На мировом энергетическом рынке широко представлены компании GE, Rolls-Royce, ABB, Siemens, Solar Turbines, Mitsubishi Heavy Industries Europe и ряд других фирм. Более 40 лет на мировом рынке промышленных газовых турбин лидирует компания General Electric.

Power Systems (около 50% мирового рынка газовых турбин).

Многие транснациональные компании проникают в газотурбинную промышленность Российской Федерации, покупая акции ведущих двигателестроительных фирм. Так, например, компания Pratt & Whitney, признанный производитель авиационных двигателей, приобрела пакет акций одного из ведущих российских предприятий ОАО «Пермские моторы», а фирма Siemens — акции «Силовых машин». Большой вклад в развитие газотурбинной энергетики вносят отечественные авиационные конструкторские бюро и производства «Сатурн», КБ им Н. Д. Кузнецова и др.

В целом все фирмы, разрабатывающие передовые газовые турбины, отличает стремление повысить характеристики двигателей за счет улучшения параметров цикла, развития технологий горения для снижения эмиссии оксидов азота и углерода, применять альтернативные виды топлива, внедрять программы улучшения уже созданной продукции.

Реализацию этих усилий можно проследить по изменению основных параметров ГТУ: температуры газов после камеры сгорания и степени повышения давления (рис. 1.1). Эти параметры из года в год растут, обеспечивая тем самым высокую экономичность установок. б t! C.

I т.

1 т т т.

I .— ¦. .и."!

1540 1960 1980 Щ> т уш 1ж 19″ зш гад.

Рис. 1.1. Тенденции изменения параметров ГТУ атемпература газовб — степень повышения давления.

Развитее ГТУ идёт не только по пути повышения экономичности, но и увеличения их надёжности.

Для реализации в конкретных двигателях и установках этих тенденций на всех этапах развития ГТУ приходилось решать сложные проблемы их проектирования, создания и эксплуатации.

Эти проблемы возникают и при проектировании газотурбинных установок, например, когда требуется обеспечить заданную долговечность горячих деталей (50+100 тыс. ч) при высоких температурах (1200 °С и более) и давлениях газа (до 3,0 МПа), а также при частотах вращения роторов 150−300 Гц.

Если учесть при этом нагрузки на вращающиеся детали от центробежных сил, изгибающих сил газового давления, а также циклические термические нагрузки и агрессивную среду циклового воздуха, то становится понятно, насколько сложная задача стоит перед проектантами при выборе материалов, расчётах на прочность деталей и при выборе оптимальных «схем и соответствующих параметров установок.

Следует ожидать, что в ближайшем будущем при проектировании газотурбинных двигателей (ГТД) будут реализованы следующие перспективные решения:

1. Технология объёмного компьютерного проектирования лопаток и ступеней компрессоров позволит достичь высоких степеней повышения давления в одной ступени (до 3,5).

2. Усовершенствование уплотнений позволит резко уменьшить утечки рабочего тела и повысить КПД.

3. Создание новых материалов и защитных покрытий отодвинет пределы высокотемпературной коррозии металлов.

4. Новые технологии охлаждения горячих деталей (например, охлаждение лопаток турбины паром) позволит создавать турбины с температурой газа около 2000 °C.

5. Внедрение сухих камер сгорания, ликвидация проблемы вибрационного горения, новые технологии горения позволят получить NOx < 9 ppm.

6. Встроенная система информационного обеспечения процедур мониторинга и диагностирования параметров ГТД при его управлении будет обеспечивать продление срока службы ГТУ, увеличение межремонтного срока, экономию топлива.

Разработка новых ГТУ с повышенными параметрами рабочего тела неизбежно потребует на новом уровне решать проблемы их надёжности. За прошедшие годы надёжность ГТУ различного назначения постоянно повышалась за счёт совершенствования конструкций, применения новых материалов, улучшения технологии изготовления. Однако постоянно растущие требования к безотказности установок, разработка мероприятий по обеспечению безопасности объектов энергетики вызывают необходимость совершенствовать методы контроля и диагностики для предотвращения аварий с тяжёлыми последствиями.

Разработка эффективных систем технического диагностирования не только может повысить безотказность установок за счёт раннего обнаружения предпосылок к отказам, но и даст значительную экономическую выгоду при управлении ГТД.

Инновация газотурбинных двигателей как судовых энергетических установок связана с повышением рабочих значений параметров (температуры, давления газа и т. д.) требует решения проблемы их безопасности, безотказности и надежности, то есть возможности оценки технического состояния и прогнозирования их изменения. Постоянно растущие требования к безотказности установок, разработка мероприятий по обеспечению безопасности объектов энергетики требует совершенствования методов и способов управления, контроля и диагностирования технического состояния газотурбинного двигателя для предотвращения аварий с тяжелыми последствиями.

Теоретическое решение задачи диагностирования газотурбинного двигателя на основе реализации информационных технологий принятия решений об оценке их технического состояния связано с необходимостью описания взаимосвязанных многопараметрических объектов, к которым относятся рассматриваемые установки.

Основным требованием к алгоритмам распознавания причин проявления неисправности или отклонения от нормальных режимов функционирования является возможность распознавания состояния объекта при наличии нескольких каналов измерения физических параметров (величин), изменения значений которых взаимосвязаны и каждый из которых характеризует состояние установки в целом.

Создание автоматизированных систем технического диагностирования позволяет повысить безотказность установок за счёт раннего обнаружения предпосылок к отказам, что даст значительное снижение затрат при эксплуатации и управлении газотурбинным двигателем.

Актуальность данной проблемы подчеркнуло выполнение в разное время целого ряда НИР и ОКР. К ним прежде всего, следует отнести работы, выполненные под шифрами: «Штрек», «Камаз», «Ледник», «Альпинист», «Папка», «Лицензия», «Сага», «Дилемма» и ряд других.

Известен ряд методов и способов тестового и функционального диагностирования, основанных на исследовании теплотехнических, газодинамических, вибрационных и других параметров. Эти системы позволяют выявить примерно 50% возможных неисправностей газотурбинных двигателей, однако они не всегда достоверны из-за большого числа трудноучитываемых факторов, оказывающих влияние на техническое состояние двигателя.

Учитывая вышесказанное, актуальна научная задача повышения эффективности систем управления и диагностирования газотурбины двигателей на основе реализации информационных технологий принятия решений о его техническом состоянии на основе исследования методов системного анализа, теории распознавания образов, теории классификации и других.

Выводы по главе 4.

1. Предложена статистическая методика определения минимального набора (номенклатуры) диагностических параметров на основе выявления латентных характеристик ГТД при его повреждениях.

2. Проведена экспериментальная проверка применения информативного набора диагностических параметров для газотурбинных двигателей. Полученные результаты свидетельствуют о целесообразности применения разработанной методики диагностирования в практике эксплуатации ГТД.

3. Показано, что наиболее информативный набор диагностических параметров ГТД должен включать в себя следующие параметры.

4. Произведена сравнительная оценка эффективности процедур диагностирования при использовании рекомендованных и предложенных в диссертационной работе диагностических параметров.

Показано, что установление диагноза может быть обеспечено при использовании предложенного в работе оптимального множества диагностических параметров.

Заключение

.

Выполненные экспериментально-теоретические исследования по совершенствованию процессов диагностирования газотурбинных двигателей в процессе их функционирования на основе реализации информативного обеспечения процессов распознавания состояния газотурбинных двигателей и классификации области работоспособности по классам, позволили получить следующие научные результаты:

1. Сформулированы организационно-технические требования, предъявляемые к газотурбинным установкам с точки зрения возможности достоверности процедур диагностирования, методы определения номенклатуры параметров диагностирования, способы оценки допустимых и предельных значений параметров.

2. Разработан комплекс математических моделей физических процессов ГТД для диагностирования проточной части установки, учитывающий базовую модель исправного двигателя, перечень возможных эксплуатационных факторов, определяющих техническое состояние проточной части, корректировку коэффициентов модели по результатам натурных испытаний.

3. Предложены способы деформации характеристик коипрессоров при засолении проточной части, как статических моделей двигателя, так и диагностических процедур при управлении техническим состоянием ГТД.

4. Оценена адекватность математической модели ГТД с учетом влияния эксплуатационных факторов по результатам натурных испытаний.

5. Разработан алгоритм формирования информативного набора диагностических параметров ГТД на основе формирования дискриминантных дихотомических функций для комплексной оценки технического состояния.

6. Сформулирован способ оценки весовых коэффициентов значимосто параметров для дискриминантных функций при количественной оценке эффективности моделей диагностирования.

7. Разработан метод определения минимального и достаточного набора диагностических параметров двигателя на модели комплексного анализа и анализа главных компонент.

8. Реализована, апробирована и оценена эффективность методики цифрового моделирования в программной среде MATLAB компонентного анализа, позволяющая получить изображение диагностических процедур в виде пространственных траекторий при различном сочетании диагностических параметров.

9. Теоретические основы работы являются общими и могут быть распространены на другие энергетические объекты.