Глава 12 - Системы ГТД

Рисунок 12.3.6.2.5_4 - Общий вид аппаратуры «XSTRESS–3000»

1 – переносный гониометр; 2 – источник высоковольтного напряжения;

3 – портативный компьютер

12.3.7 - Особенности диагностирования технического состояния ГТД наземного применения на базе авиационных двигателей

В числе особенностей конструкции ГТД наземного применения, влияющих на организацию систем диагностирования, можно выделить следующие:

-использование топливного газа вместо керо-

ñèíà;

-применение ТНД для привода внешних устройств - нагнетателя или электрогенератора, вместо вентилятора (КНД) авиационного двигателя, являющегося частью двигателя.

-упрощение доступа к деталям газогенератора для выполнения осмотров в случае отсутствия наружного контура;

-применение в маслосистеме маслобака большого объема, сдвоенных выносных маслофильтров, мощных теплообменников с автоматической системой управления, устройства подогрева мас-

ла на запуске; МСС, выдающих электрический сигнал в систему автоматического управления и уча- ствующих в логике вынужденных или аварийных остановов ГТД.

К числу факторов, влияющих на диагностируемые параметры, можно отнести отсутствие подвижности подвески ГТД - отсутствует самолет, который является движущимся объектом, соответственно нет эволюций, отсутствует крыло, обладающее собственными колебаниями.

Существенное влияние на газодинамические параметры оказывают параметры транспортируемого газа на входе и выходе нагнетателя, применение в составе электростанций котлов-утилизато- ров, нагреваемых теплом отработанного газа, выходящего из ГТД. Эти обстоятельства приходится учитывать при разработке алгоритмов параметрической диагностики.

В ГТД наземного применения больше возможностей для измерения параметров из-за менее жестких требований по массе, габаритам ГТД и взаимодействующих систем.

795

Глава 12 - Системы ГТД

12.3.7.1 - Особенности режимов эксплуатации

Режимы эксплуатации наземных ГТД имеют не меньшее влияние на особенности диагностирования, чем конструкция.

Особенности режимов работы наземных ГТД:

-продолжительность цикла непрерывной работы от запуска до останова – 1500…3000 ч;

-продолжительность работы на установившихся режимах работы, когда режим меняется незначительно (только из-за колебаний атмосферных условий, незначительного и плавного изменения параметров в трассе магистрального газопровода для ГТД в составе ГПА или малозаметного влияния подключения и отключения слабых потребителей для электростанций);

-для ГТД, работающих в составе электростанций, частое изменение нагрузки потребителя электрического тока в случае применения в условиях городской или поселковой системы электропитания, что затрудняет выбор установившегося режима для оценки параметров;

-дозаправка масла в маслобак в большом объеме, которая может производиться во время работы ГТД, а также наличие маслоохладителей является причиной того, что маслосистема может обладать собственными циклами, постоянно находясь в режиме нагрева или остывания, а это затрудняет выбор подобных режимов для диагностирования.

К особенностям условий работы наземных ГТД можно отнести интенсивное загрязнение проточной части атмосферным воздухом, ухудшающее параметры ГТД (авиационные ГТД в подобных условиях работают лишь кратковременно в процессе взлета и посадки). Особенно интенсивным загрязнение может быть на объектах, где на вход в ГТД поступает отработанный газ из выходных устройств соседних агрегатов. Некоторые ГТД могут по большей части работать в условиях высоких или низких атмосферных температур или при высокой влажности.

12.3.7.2 - Общие особенности диагностирования наземных ГТД

Длительность циклов работы наземных ГТД, запрещение подхода к работающей ГТУ по условиям техники безопасности, дополнительные возможности по размещению оборудования и т.д. определяют предпочтительный способ диагностирования наземных ГТД - применение стационарных систем, обеспечивающих непрерывный процесс диагностирования технического состояния. Понятие непре-

рывности здесь является условным, так как любой контроль может выполняться лишь с определенной частотой: один раз в секунду, один раз в час и т.д. Анализ технического состояния ГТД должен выполняться не после завершения, а в процессе работы ГТД, т.е. вычислительная техника должна обеспечивать одновременный прием информации от датчиков, обработку информации, отображение и выдачу результатов диагностирования.

Современные наземные ГТД работают под управлением электронных САУ, входящих в состав САУ ГПА, или САУ компрессорного цеха, или САУ электростанции. В указанных САУ параметрическая информация используется в цифровом виде

èдоступна для выполнения любых вычислительных действий. При этом в САУ объектов (компрессорных станций магистральных газопроводов, энергоблоков) присутствует вся информация об измеряемых параметрах и сигналах, характеризующих состояние их отдельных элементов. Таким образом, информация САУ может быть использована для разработки систем параметрической диагностики (СПД). При этом система параметрической диагностики может являться частью САУ или работать в специально выделенном компьютере, принимающем информацию от САУ.

Обязательным условием взаимодействия САУ

èСПД является односторонняя связь, исключающая выдачу какой либо информации или управляющих сигналов из СПД в САУ. Следует отметить, что СПД, как и другие разновидности систем диагностирования, не участвуют в автоматическом управлении объектом. Рекомендации, формируемые диагностическими системами, не требуют оперативного вмешательства в работу. Воздействие на ГТД организуется через оператора - на основании рекомендации, прочитанной на экране компьютера, оператор принимает решение о снижении режима, выполнении нормального останова и последующих осмотрах.

На объектах, имеющих в своем составе ГТД наземного применения, как правило, на одной площадке работает более одного ГТД. Информация от всех ГТД поступает на общий пульт оператора, расположенный в специальном отапливаемом помещении – щитовой или операторной. Современные САУ таких объектов бывают цехового уровня, т.е. информация обо всех ГТД цеха поступает в локальную вычислительную сеть и может быть доступна одновременно на одном компьютере. Это дает возможность разработки алгоритмов, использующих методы сравнения однородных данных нескольких ГТД для выявления неисправности каналов измерения параметров.

796

Глава 12 - Системы ГТД

Следовательно, задача обеспечения диагностической обработки информации одновременно нескольких ГТД в процессе работы этих ГТД выдвигает повышенные требования к ресурсам средств вычислительной техники.

Таким образом, основные системы диагностирования, применяемые на наземных ГТД, должны быть стационарными:

-система параметрической диагностики;

-система вибродиагностики;

-система трибодиагностики;

-перспективные системы диагностики (электростатическая, акустическая и т.д.).

Со временем все указанные методы могут быть объединены понятием параметрических, так как в любом из методов имеются измеряемые параметры: температура, давление, частота вращения, виброскорость, параметры, описывающие спектр вибрации, концентрация частиц износа

èò.ä.

Прочие методы оценки технического состояния могут использоваться лишь как дополнительные или периодические. Это относится к визуаль- но-оптическим осмотрам, ультразвуковому, люминесцентному, вихретоковому контролю.

Развитие систем диагностирования должно приводить к интеграции методов для выработки окончательных рекомендаций. Интеграция может происходить как на уровне принятия решений, так и на уровне оценки параметров. Первый вариант наиболее вероятен вследствие того, что разработ- чиками различных методов диагностирования являются, как правило, различные специализированные фирмы. Однако более глубокая интеграция могла бы обеспечить более оптимальное использование ресурсов вычислительной техники.

Отличие этих двух вариантов можно пояснить таким образом. В первом случае, например, система параметрической диагностики формирует сообщение о повышении температуры масла в магистрали откачки от переднего подшипника ТВД. Методика рекомендует выполнить останов и провести анализ масла. В то же время трибодиагностика выдает повышенное содержание железа и меди в двигателе и рекомендует работы по поиску неисправного подшипника. Причем неисправность одного подшипника позволяет ГТД проработать еще несколько сотен часов, а другого – требует немедленного выключения. Совместный же анализ параметрической информации и результатов трибодиагностики может сразу указывать на развивающуюся неисправность переднего подшипника ТВД, требующую немедленного вынужденного останова, вследствие быстроты развития дефекта

èтяжести последствий (заклинивание подшипника, разогрев и разрезание вала ТВД, раскрутка

èразрушение диска ТВД).

При разработке алгоритмов диагностирования всегда следует учитывать вероятность неправильного измерения параметров, поэтому для всех систем ГТД должны быть разработаны алгоритмы проверки достоверности измерения параметров, работающие, как и все прочие алгоритмы, в автоматическом режиме. При необходимости продолжения работы ГТД после выявления неисправности какого-либо канала измерения, данный канал должен быть автоматически исключен из участия в алгоритмах диагностирования, некондиционный параметр должен быть заменен. При отсутствии дублирующего параметра соответствующие алгоритмы не должны выполняться или должны использоваться альтернативные алгоритмы.

Перспективным направлением развития технологии управления наземными ГТД является удаленное управление, когда непосредственно на объекте отсутствует технический персонал. При этом задание режимов работы, контроль исправности оборудования выполняется дистанционно из пультов управления, расположенных за сотни километров от самого объекта. Очевидно, что по такой концепции должны развиваться и системы диагностирования. Это позволит уменьшить количество требуемого квалифицированного персонала, снизит вероятность ошибок, даст дополнительные возможности, связанные с наличием статистики по парку ГТД. Современные информационные каналы и компьютеры позволяют применять такую технологию уже сегодня.

Целесообразность применения систем диагностирования, требующих дополнительных средств на разработку и внедрение, следует определять исходя из анализа соотношения стоимости самого ГТД и оборудования для его диагностирования, а также вероятности возникновения неисправностей, тяжести последствий от неисправностей и экономической эффективности прогнозирования неисправностей и ремонта ГТД.

12.3.7.3 - Особенности диагностирования маслосистемы

Особого описания требует влияние особенностей маслосистемы на формирование системы диагностирования. Указанные выше конструктивные особенности наземных ГТД, особенности режимов работы ГТД и режимов работы маслосистемы приводят к существенной доработке концепции применения методов диагностирования.

797

Глава 12 - Системы ГТД

Оценка измеряемых параметров маслосистемы (температур масла на входе и выходе ГТД, давления масла на входе ГТД) с учетом режимов работы системы маслоохлаждения позволяет выявлять плавный рост температур масла из-за попадания горячего воздуха через систему уплотнения опоры в масляную полость двигателя при нарушении в работе системы маслоохлаждения или при возникновении дефекта подшипника. С целью оценки параметров маслосистемы выполняется расчет приведенных к стандартным условиям зна- чений параметров с учетом внешних условий (атмосферной температуры) и режима работы (частоты вращения роторов). Контроль отклонений параметров от нормы выполняется на динамических и статических режимах с периодичностью 0,1…10 Гц. Дополнительно выполняется тренд-ана- лиз и прогнозирование с частотой один раз в час или реже.

Расчет и оценка изменения расчетного параметра часового расхода масла в маслосистеме позволяет выявлять утечки масла. В отличие от авиационных ГТД, расчет выполняется не за полет, а за фиксированные промежутки времени, например, ежечасно. Увеличение интервала времени между контрольными точками позволяет повысит точ- ность и достоверность контроля, но снижает быстроту реакции на выявляемые отклонения. Оптимальным решением может быть одновременное применение расчетов расхода масла за различные интервалы времени с различными допусками.

Наличия стружки в маслосистеме контролируется при помощи МСС. Из-за длительного цикла работы наземных ГТД применение в них МП исключено полностью, поскольку контроль МП невозможен без выключения ГТД, а осмотры с периодичностью 1500…3000 часов неэффективны. МСС могут быть задействованы в системе автоматической защиты - при их срабатывании будет происходить вынужденный или аварийный останов. Издержкой введения данной функции является вероятность необоснованного останова из-за ложного срабатывания МСС. Хотя выключение наземного ГТД не так опасно, как выключение двигателя в полете, но оно может привести к прекращению подачи электроэнергии, помпажу в магистрали газопровода. Кроме того, сам факт выключения с последующим запуском, особенно выключение с высокого режима снижает ресурс ГТД. Поэтому требуется тщательная проработка конструкции МСС и магистралей откачки масла в местах, где они установлены с целью обеспечения максимально раннего обнаружения неисправности и исключения ложного срабатывания.

Возможность анализа наличия продуктов износа в масле имеет те же ограничения, что и применение МП для выявления стружки. Поскольку отбор проб масла возможен лишь при выключении ГТД (через каждые 1500…3000 часов работы), то вероятность выявления дефекта таким методом становится крайне малой. Ситуация усугубляется большим объемом масла, циркулирующим в маслосистеме. Поэтому, для создания систем трибодиагностики наземных ГТД требуется альтернативный подход.

Таким подходом может быть анализ смывок с фильтров тонкой очистки масла. Решению данной задачи способствует применение в конструкции маслосистемы сдвоенных (параллельно) выносных фильтров с переключением магистралей. Съем одного из фильтров для выполнения смывки с него возможен с требуемой периодичностью в процессе работы ГТД, когда масло проходит через другой фильтр. Еще более радикальным решением является внедрение датчика непрерывного контроля частиц износа в масле.

12.3.7.4 - Особенности диагностирования вибросостояния наземных

ÃÒÄ

По сравнению с авиационными двигателями, на наземных ГТД более благоприятные условия для применения стационарных систем вибродиагностики, которые обеспечивают анализ спектров вибрационных сигналов, поступающих с датчиков.

Âотличие от штатных датчиков, которые устанавливаются по одной…две штуки на двигатель, для вибродиагностики может применяться шесть…восемь специальных датчиков. Эти датчики измеряют вибрацию в трех взаимно перпендикулярных плоскостях - вдоль оси ГТД, в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Информация от них преобразуется с помощью специальных устройств в цифровой код, который поступает в компьютер для анализа.

Âнастоящее время преобладают системы, обеспе- чивающие лишь мониторинг, т.е. отображение информации на экране и выдачу сигналов при какихто отклонениях. Применение таких систем требует от оператора слежения за результатами. При этом оператор должен обладать высокой квалификацией. В перспективе должны быть разработаны алгоритмы, автоматически определяющие причину отклонения в работе и выдающие рекомендации обслуживающему персоналу.

Одной из сложностей на пути разработки алгоритмов вибродиагностики является отсутствие практической возможности имитации дефектов,

798