Библиографическое описание:

Кривошеев И. А., Рожков К. Е. Использование методов идентификации математических моделей и методов расчета характеристик узлов для диагностики технического состояния ГТД // Молодой ученый. — 2009. — №10. — С. 56-60.

При проектировании и эксплуатации технических систем (ТС) особое значение имеет степень и область адекватности применяемых моделей. Для этого модели идентифицируют по результатам испытаний и контроля параметров в эксплуатации. Предложенная авторами [5] методика идентификации имитационных моделей и диагностики технического состояния по тренду координат «базовых точек» на характеристиках элементов ТС позволяет локализовать неисправности по видам и элементам, в которых они имеют место. Примером может служить диагностика технического состояния газотурбинных двигателей (ГТД). При эксплуатации наземных газотурбинных приводов (ГТП) неизбежно возникает проблема, связанная с эрозией и загрязнением проточной части ГТД, что в основном относится к изменению профиля лопаточных венцов компрессорной части (ПЧ), при этом происходит изменение параметров двигателя.  Концентрация частиц в воздухе может  быть как незначительной, так и достигать нескольких процентов от расхода воздуха ГТД. Различен физический и химический состав частиц проходящих через проточную часть двигателя во время эксплуатации. После нормальной отработки ресурса компрессор имеет лопатки с существенно иными значениями параметров профиля (рис 1.), что влечет за собой значительное изменение углов атаки на лопатках компрессора, а также изменение треугольников скоростей и, следовательно, состояния потока воздуха в ступени компрессора. Эти изменения необходимо учитывать в течение всего срока эксплуатации и вносить по мере наработки необходимые корректировки в законы управления двигателем.

Для иллюстрации предложенной методики ниже приведен расчет (по предложенному авторами методу [4]) характеристики первой ступени компрессора низкого давления (КНД) ГТП АЛ-31СТ – для исходной геометрии и в процессе загрязнения в некоторой фазе, определяемой характерным размером максимального загрязнения. В упрощенном варианте полагаем, что процесс эрозии идет в обратном направлении и описывается аналогично.   

Рис.  1 Лопатки ротора КВД АЛ-31СТ

(со следами загрязнения и эрозии) после работы 5000 часов

в составе ГПА на компрессорной станции.   

 

Расчет и анализ деформации характеристики 1 ступени КНД АЛ-31СТ

вследствие процесса загрязнения и эрозии

В рассматриваемом случае использованы данные, когда при разборке двигателя АЛ-31СТ для плановых мероприятий и дефектации  были выявлены незначительные загрязнения лопаток КНД (величина загрязнения по входной и выходной кромке составляла 1 мм). Произведено сравнение новой лопатки и лопатки снятой с двигателя (рис.1). В качестве исходных данных  для расчета характеристики первой ступени с ВНА использованы номинальные геометрические параметры в концевом сечении: ,  (сверхзвуковая решетка), угол выхода из ВНА . В результате  загрязнения лопаток в процессе эксплуатации изменились геометрические параметры профилей лопаток  (рис. 2.), на (рис. 3) представлены изменение геометрических углов по мере увеличения отложений.

профили

Рис. 2. Решетка профилей лопаток 1ст. КНД АЛ-31СТ

(на левом профиле показано изменение за счет загрязнения)

Рис 3. Изменение геометрических углов по мере увеличения отложений

 

Последовательность построения упрощенных характеристик по предложенной авторами методике была подробно описана в [4], ниже приведены только результаты, с учетом изменения геометрия. На всех последующих рисунках показаны одновременно сплошной линий характеристика новой лопатки и пунктирной - характеристика лопатки полученной после определенной наработки.  Задаемся диапазоном изменения  [0;1]. Записывая изоэнтропическую работу, как , строим график  с изолиниями  = const (рис. 5). При этом самая верхняя изолиния  = const характеризует границу помпажа. Находим изоэнтропическую работу  и строим график  (рис. 4).

 

Hs=f(ля)

Рис. 4 Характеристика первой ступени КНД АЛ31-СТ - исходная и с учетом загрязнения

Hs=f(q(l))

Рис. 5 Характеристика первой ступени компрессора АЛ31-СТ

Полученный результат нетрудно представить в традиционных координатах  (рис. 6).

 

эррозияGPi

Рис. 6 Характеристика первой ступени компрессора АЛ31-СТ

 

 

Использование сведений о деформации характеристики 1 ступени

вследствие процесса загрязнения и эрозии для оценки изменения характеристик каскада в целом

В соответствии с предложенной авторами методикой, результаты анализа деформации характеристики 1 ступени используются для оценки деформации каскада в целом. В первом приближении  предложено считать, что «базовая точка» на характеристике каскада (в многомерной системе координат) смещается в том же направлении и в той же степени, что и «базовая точка» на характеристике 1 ступени.     Далее выявленная траектория такого тренда используется при имитационном моделировании ГТД (например, в системе DVIG). С учетом ограничений – «уставок» (по температуре газа, температуре за турбиной, скольжению роторов, запасам устойчивости…)  это позволяет выявить предельно  допустимое смещение «базовых точек» на характеристиках компрессоров и других узлов, зафиксировать эти положения, граничные поверхности и хранить их (как и координаты границ помпажа) вместе с характеристиками узлов. Это открывает возможность для реализации нового метода параметрической диагностики – когда в зависимости от положения «базовой точки» в координатах «параметров образмеривания» выявляется запас, факт конкретной неисправноси, она локализуется по виду и элементу (узлу, ступени), где она проявилась.

 

Заключение

 

Выполненные расчеты характеристик ступеней ГТД (на основе полуэмпирического метода, с использованием экспериментальных данных), показывают, что, на основе геометрии решеток и данных по изменению геометрических размеров компрессора можно реализовать новую методику  параметрической диагностики - выявления  дефектов, их локализации по видам и элементам двигателя. В частности, можно выявить причину деформации характеристик того или иного узла, ее допустимость (запас или факт дефекта). В данном случае это показано на примере загрязнения ПЧ и (или) эрозии лопаток. В частности речь может идти о прогнозировании и определении потребности в промывке ПЧ. При наличии информации о распределении загрязнения/эрозии по высоте ПЧ, по венцам и ступеням каскада предложенная методика позволяет получить модель деформации характеристик каскада, по которой можно вносить поправки в законы управления ГТУ или ГТП  в процессе эксплуатации. При этом характеристика всего компрессора может быть получена путем сложения характеристик его ступеней – по предложенному алгоритму или с разработанной с участием авторов СИМ (системы имитационного моделирования) компрессора с разбиением на ступени. Полученный материал по изменению параметров компрессора в процессе эксплуатации позволит оценивать поведение характеристик лопаточных машин (компрессора и турбины) и двигателя в целом.

 

 

Список литературы

1.    Холщевников К.В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин : Учеб. для авиац.вузов и фак. — М. : Машиностроение, 1970 .— 610с.

2.    Холщевников, К. В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин: [учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности "Авиационные двигатели ""] / К. В. Холщевников, О. Н. Емин, В.Т. Митрохин .— 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1986

3. Белоусов А. Н. Теория и расчет авиационных лопаточных машин:   / А. Н. Белоусов,   

    Н. Ф. Мусаткин, В. М. Радько.— Самара: Сам. Дом Печати, 2003 .— 344 с.

4. Кривошеев И.А., Рожков К.Е.  Методика расчета упрощенных характеристик осевой   

    ступени компрессора.  // Молодой ученый. - Чита, 2009. - №8. – С. 9-17

 

 5. Кривошеев И.А. Использование  средств имитационного сетевого моделирования ГТД    

     на этапе идентификации моделей по результатам испытаний / И.А. Кривошеев, О.Н.  

     Иванова, И.М. Горюнов И.М. // Вестник УГАТУ. Т. 6,  № 1 (12), 2005. – С. 65-75.

 

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle