Библиографическое описание:

Камаева Р. Ф., Струговец С., Кривошеев И. А., Галиуллин Р. Использование закономерностей протекания характеристик компрессора при параметрической диагностике технического состояния ГТД // Молодой ученый. — 2010. — №1-2. Т. 1. — С. 59-66.

Интересные результаты, открывающие большие перспективы для параметрической диагностики технического состояния ГТД получены первым из авторов (Струговцом С.А.)  при эксплуатации в полевых условиях передвижной компрессорной установки УКП-5 с генератором сжатого воздуха ГСВ-95 на базе авиационного ГТД Р95Ш. Как видно из рис.1, ГСВ-95 выполнен по достаточно простой схеме - сопло базового двигателя раскрыто, отбор сжатого воздуха организован за КВД с помощью улитки с компенсатором.

Рис 1. Генератор сжатого воздуха ГСВ-95

 

Установка УКП-5 предназначена для продувки магистральных трубопроводов. Летом и осенью 2000 году она эксплуатировалась на участках трассы строящегося нефтепровода КТК, проходящих по территории Республики Калмыкия и Ставропольского края, в запыленной атмосфере полупустынь с повышенной концентрацией частиц абразивного вещества в воздухе. УКП-5 не снабжена пылезащитным входным устройством. Несмотря на принимавшиеся меры, такие как увлажнение грунта рядом с установкой и укладка защитного нетканого материала под входное устройство (рис. 2), начала интенсивно развиваться эрозия лопаток компрессора (в основном КВД, что определялось визуально через лючки осмотра ГСВ). Это привело сначала к плавному, а потом к резкому изменению параметров работы ГСВ (велся подробный хронометраж).  Эксплуатация УКП-5 была прекращена в связи с тремя случаями помпажа, после суммарной наработки около 128 часов (за два с половиной месяца эксплуатации в указанных зонах).  Следует отметить, что потеря газодинамической устойчивости произошла на фоне увеличившегося на приблизительно  8% скольжения роторов. Таким образом, за счет двухвальной схемы Р95Ш, компрессор до последнего предела сохранял устойчивость, компенсируя эрозию лопаток КВД раскруткой РВД.

 

Рис.2. УКП-5 подготавливается к запуску в районе Черноземельского канала, Республика Калмыкия. Экипаж установки защищает от пыли входное устройство.

 

 Разработчик УКП-5 Струговец С.А, руководивший ее эксплуатацией, передал ГСВ-95 вместе с протоколами хронометража для дефектации В НПП «Мотор», где была произведена разборка двигателя. После разборки двигателя визуально установлена значительная эррозия лопаток как рабочих колес, так и направляющих аппаратов компрессора. Было произведено сравнение новой лопатки и лопатки снятой с двигателя и  обнаружено, что на рабочих лопатках первых двух ступеней компрессора низкого давления (КНД) эрозия практически отсутствует, а на рабочих лопатках 3-8 имеется значительный унос материала в периферийной части, возрастающий по мере уменьшения размеров лопаток.

Толщина входной и выходной кромок лопаток напоминала лезвие бритвы. На последней ступени на периферии хорда уменьшилась практически до нуля. На рис. 3 показаны статорные лопатки. Унос материала лопаток направляющего аппарата имеет минимальную величину на некотором удалении от периферии.

              

 

                                  а)                                                                    б)

        

        в)                                                                    г)

 

Рис. 3. Рабочие лопатки ступеней КВД в процессе дефектации:

а) II ступень; б) III ступень; в) IV ступень; г) V ступень.

 

Унос материала лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата на периферии значительно больше, чем в корневом сечении лопаток. Это объясняется характером траекторий движения частиц двухфазного потока в компрессоре, когда большая часть газа и тем более плотных твердых абразивных частиц движется ближе к периферии, это особенно проявляется в зоне рабочих колес, где скорость потока в относительном движении выше (от чего унос материала рабочих лопаток выше, чем статорных). В направляющем аппарате в пристеночном слое уменьшается скорость воздуха (и частиц), поэтому эрозия меньше. Кривизна траекторий частиц меньше, чем газа, поэтому унос материала лопаток больше в зоне передних кромок (в т.ч. в начале спинки) и в зоне корыта на выходе.  

По предложению Кривошеева И.А. и при содействии руководителя фирмы «ОПТЭЛ» УГАТУ Галиулина Р.М. подвергшиеся эрозии лопатки были проконтролированы с помощью лазерного сканирования  с использованием аппаратно-программного комплекса ОПТЭЛ-ТЛ [5].

При этом на основе выполненных специалистами ОПТЭЛ измерений произведена оценка изменения геометрических параметров лопаток, позволяющая выявить закономерности уноса материалов по мере наработки на разных ступенях, на рабочих и статорных лопатках, по высоте проточной части и на разных участках профиля (передняя, задняя, верхняя кромки, корыто, спинка, их передняя, средняя, задняя части). Результаты измерений и их компьютерной обработки представлены в виде двухмерных (2D) схем профиля лопатки в нескольких сечениях по высоте пера лопатки (рис. 4...7), по ним получены 3D-модели лопаток в различных фазах в процессе эрозии (рис. 8) [1].

 

Рис. 4. Профиль пера лопатки в сечении А4

 

 

Рис. 5. Профиль пера лопатки в сечении А3

 

В настоящее время, авторы в рамках НИЛ САПР-Д  УГАТУ с использованием разработанной системы имитационного моделирования (СИМ) DWIG и предложенной методики идентификации моделей двигателя ведут расчеты по выявлению тренда параметров образмеривания характеристик КНД и КВД от характерного параметра эрозии  (для этого предложено использовать унос материала вдоль средней линии профиля по передней кромке в концевом сечении I ступени) [2,3,4]. При этом весьма полезными оказались развиваемые в НИЛ САПР-Д под руководством Кривошеева И.А.  новые методы расчета характеристик элементарных ступеней и далее компрессоров в целом. Это позволило связать изменение геометрии лопаток при эрозии и загрязнении с трендом характеристик КНД и КВД.

 

 

Рис. 6. Профиль пера лопатки в сечении А2

 

 

Рис. 7. Профиль пера лопатки в сечении А1

 

 

Рис. 8. Трехмерная интерпретация результатов измерений профиля лопатки

В настоящее время, авторы в рамках НИЛ САПР-Д  УГАТУ с использованием разработанной системы имитационного моделирования (СИМ) DWIG и предложенной методики идентификации моделей двигателя ведут расчеты по выявлению тренда параметров образмеривания характеристик КНД и КВД от характерного параметра эрозии  (для этого предложено использовать унос материала вдоль средней линии профиля по передней кромке в концевом сечении I ступени) [2,3,4]. При этом весьма полезными оказались развиваемые в НИЛ САПР-Д под руководством Кривошеева И.А.  новые методы расчета характеристик элементарных ступеней и далее компрессоров в целом. Это позволило связать изменение геометрии лопаток при эрозии и загрязнении с трендом характеристик КНД и КВД.

Вместе с разработанным Кривошеевым И.А. методом идентификации имитационных моделей (ИМ) это позволило сформировать эффективный метод параметрической диагностики ГТД [2].

В настоящее время на основе этого метода разрабатываются  средства диагностики загрязнения и эрозии лопаток ГТП АЛ-31СТ, выпускаемого в УМПО. Эти средства базируются на использовании разработанной в НИЛ САПР-Д СИМ DVIG и вновь создаваемой СИМ KOMPRESSOR.

Рис. 9.  Построение упрощенной характеристики 1 ст КВД   и по исходной геометрии решеток, на основе предложенного авторами метода и эмпирических (обобщенных)  зависимостей Ольштейна Н.Е. и Хауэлла.

 

В связи с разработкой системы имитационного моделирования компрессоров (СИМ KOMPRESSOR), авторами проведен анализ экспериментальных данных, различных эмпирических и теоретических зависимостей, выведен ряд собственных и предложена соответствующая методика.  По этой  методике был  произведен расчет и построена упрощенная характеристика первой ступени КНД АЛ-31СТ (рис 9).

Для отработки методики диагностики важны установленные факты отказов, когда была произведена последующая дефектация и установлены причины отказа. Так например, в работе были использованы сведения об одном из экземпляров ГТП АЛ-31СТ, эксплуатировавшемся на газокомпрессорной станции «Москово», который после аварии (помпажа) был доставлен в УМПО, где была произведена разборка двигателя в заводских условиях. В протоколе дефектации указано, что на лопатках КНД первой ступени (и в меньшей степени – других ступеней) зафиксированы отложения липкой грязи. В ряде других протоколах аварийных трендов, получаемых в УМПО с КС, где эксплуатируются ГТП АЛ-31СТ, указывается, что загрязнение лопаток КНД и КВД (по передней кромке) достигает 1 мм. Для выявления влияния эрозии и загрязнения ПЧ на характеристику 1ст КВД и на характеристику КВД в целом аналогично тому, как это показано выше, построены характеристики ступени с загрязненными рабочими и направляющими лопатками. При этом распределение уноса материала и наоборот, налипания по поверхности профиля принято подобным тому, как это было выявлено и показано выше (после дефектации в НПП Мотор) путем обмеров в лаборатории фирмы «ОПТЭЛ» УГАТУ на лопатках турбокомпрессора, выполненного на базе двигателя Р-95Ш.

Поскольку, как указано выше, из протоколов с компрессорных станций (КС) где используется АЛ-31СТ, следует, что на входной и выходной кромках максимальная толщина загрязнения достигает 1мм, то именно для этого случая, построив загрязненный профиль, определены измененные лопаточные углы на входе и на выходе, а также измененная хорда профиля.

Рис. 10. Решетка профилей рабочих лопаток 1ст. КНД АЛ-31СТ

Используя экспериментальные данные и предложенную методику, было  определено, как изменяются основные параметры и характеристики  1 ступени,  компрессора и двигателя в целом по мере накопления дефекта (рис 11,12,  таблица 1.1). 

 

Рис. 11. Сравнение КПД загрязненных и незагрязненных лопаток

При этом в первом приближении полагается, что характеристика каскада деформируется в том же направлении и в той же степени, что и характеристика первой ступени. Более точно по предложенной методике ведется анализ деформации характеристики каждой ступени и на том основании делается вывод о деформации характеристики каскада в целом.  

 

 

Рис.12.  Сравнение изоэнтропических напоров загрязненных

и незагрязненных лопаток

 

Результаты расчета представлены в таблице 1.1

Таблица 1.1.- Сравнительная таблица параметров компрессора

параметр

исходная лопатка

загрязненная лопатка

1

41,47

39,56

2

52,13

50,39

3

10,66

10,83

4

32,99

31,78

5

45,98

44,33

6

1,1

1,05

7

6,15

6,06

8

i

8,48

7,78

9

0,4489

0,4146

10

0,26

0,256

11

0,19

0,17

12

0,76

0,56

13

0,79

0,68

14

326,5

326,5

15

174,5

172

16

269,24

269,24

17

178

141,8

18

0,574

0,46

19

64,39

54,37

20

1750

992

21

1,4

1,37

 

 Из рис. 11 и 12 и таблицы 1.1 видно, что загрязнение лопаток вызывает уменьшение напора и снижение КПД. Полученные данные позволяют найти зависимость параметров в точке образмеривания характеристики ступени, и в точке образмеривания характеристики КВД от величины накопления дефекта – в  данном примере это загрязнение ПЧ (аналогично для эррозии). В свою очередь, в составе ИМ ГТД (например в СИМ DVIG ) это позволяет организовать диагностику состояния ГТД, определить необходимость промывки, анализируя дрейф характеристики, в т.ч. границы помпажа, определить  возможность помпажа (запас), построить соответствующие «уставки» для руководства по эксплуатации (РЭ60) АЛ-31СТ, ввести дополнительные ограничения в закон управления САУ и Р АЛ-31СТ.

Заключение

Таким образом, сведения представленные Струговцом С.А., а также результаты сканирования лопаток с использованием аппаратно-программного комплекса ОПТЭЛ-ТЛ совместно с разработанными в НИЛ САПР-Д методом идентификации  и методикой расчета характеристик компрессора  позволили сформировать эффективный метод параметрической диагностики ГТД.  В настоящее время авторы (Кривошеев И.А., Камаева Р.Ф.)  продолжают разработку предложенного метода.

 

Список литературы

1. Акмалетдинов, Р. Г. Конвертированный авиационный двигатель как средство решения экологических проблем : диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук : спец. 05.07.05- Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов / Р. Г. Акмалетдинов ; УГАТУ; науч. рук. Х. С. Гумеров .— Уфа : УГАТУ, 2005 .— 155 с.

2.    Кривошеев   И.А.   Методы   и   средства   диагностики   состояния технических систем на основе идентификации их имитационных моделей // Альманах современной науки и образования. — Тамбов: «Грамота», 2008. -№7 (14): Математика, физика, строительство, архитектура, технические науки и методика их преподавания.

3.  Кривошеев  И.А.,   Кожинов   Д.Г.,   Иванова  О.Н.   Решение   задач идентификации, проектирования и управления с использованием сетевых имитационных   моделей   //   Труды   международной   научно-технической конференции  по  обратным  задачам.   -  Москва:  Изд-во,  2004.     С.75-80. ("Solving an identification, design and control tasks using network simulation models"авторы: Кривошеев И.А., Кожинов Д.Г., Иванова О.Н. Конференция: 4-th   INTERNATIONAL   CONFERENCE:   "Inverse   problems:   Identification, Design and Control". July 2-July 6,2003 Boat cruise Moscow-Kostroma-Moscow by Volga river, RUSSIA)

4.  Кривошеев  И.А.,   Иванова  О.Н.,   Горюнов  И.М.   Использование средств     имитационного     сетевого     моделирования     ГТД     на     этапе идентификации моделей по результатам испытаний // Вестник УГАТУ. Т. 6, № 1 (12), 2005. С 65-75.

5. Галиуллин Р.М., «Оптоэлектронные системы для размерного контроля изделий сложной формы», -журнал «Автометрия», Изд-во СО РАН, №5, том 40, 2004, с. 26-37

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle