Газотурбинных двигателей: Диагностика газотурбинных двигателей и установок

Содержание

Диагностика газотурбинных двигателей и установок

АО «ОДК-Авиадвигатель» на систематической основе ведёт работы по обеспечению высокой надёжности ГТД авиационного и наземного применения, их безопасной эксплуатации, разрабатывает методики контроля и диагностирования технического состояния двигателей, требования к наземным и бортовым системам контроля и диагностики, оказывает консультационные услуги по вопросам диагностического сопровождения двигателей своей разработки.

Для обеспечения высоких эксплуатационных показателей двигателей семейства ПС-90А используются автоматизированные системы диагностирования «АСД-Диагноз-90» и СДД-90, основанные на алгоритмах обработки полётной информации, разработанных специалистами «ОДК-Авиадвигатель».

Алгоритмы наземной обработки полётной информации обеспечивают контроль технического состояния систем двигателя, трендовый анализ, прогнозирование и формирование рекомендаций по поиску и устранению замечаний.

Наземный технический персонал авиакомпании, используя системы «АСД-Диагноз-90» или СДД-90, осуществляет регулярный контроль технического состояния парка двигателей авиапредприятия, что позволяет существенно сократить затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание двигателей, а также повысить безопасность полётов.

В распоряжении «ОДК-Авиадвигатель» имеется полная база данных полётной информации и результатов её обработки по двигателю ПС-90А и его модификациям, которая постоянно пополняется начиная с 1994 года. Это даёт возможность специалистам ОКБ оперативно реагировать на запросы эксплуатантов о рекомендациях по поиску неисправностей и принятии решения о дальнейшей эксплуатации двигателей. Для этих целей используется специально разработанный комплекс программ, позволяющий проводить углублённый анализ параметрической информации.

 

Надежная, безопасная, высокоэффективная работа оборудования обеспечивается, в том числе, применением систем защиты, систем оперативного контроля и автоматизированных систем диагностирования промышленных ГТУ, работающих в составе газоперекачивающих агрегатов и газотурбинных электростанций.

Высокая контролепригодность ГТУ и применение цифровых САУ для управления ГТУ, ГПА и электростанциями позволяет использовать параметрическую информацию для эффективного диагностирования технического состояния ГТУ при эксплуатации.

Специалистами «ОДК-Авиадвигатель» разработаны алгоритмы контроля технического состояния систем ГТУ, которые могут быть реализованы в виде компьютерных программ для использования при эксплуатации. Ведутся работы по автоматизации получения и анализа параметров, характеризующих техническое состояния эксплуатируемых ГТУ, разработке и внедрению автоматизированных систем параметрической диагностики ГТУ.

 

Для контроля технического состояния деталей и узлов (роторных опор, зубчатых зацеплений) ГТД применяются встроенные сигнализаторы стружки, магнитные пробки. При обнаружении стружки в маслосистеме ГТД выполняется определение марки материала с использованием спектрометров типа «Призма» и «Спектроскан». Ведутся работы по созданию систем раннего обнаружения частиц в масле.

В АО «ОДК-Авиадвигатель» изготовлена и действует высокотехнологичная установка для испытания детекторов частиц, в которой имитируются условия маслосистемы ГТД (прокачка, давление, температура) и обеспечивается принудительный ввод частиц заданного размера и свойств с целью проверки эффективности устройств. Подобные работы могут выполняться в интересах различных производителей ГТД.

Контроль вибраций авиационных и промышленных ГТД выполняется штатными системами виброконтроля и виброзащиты. При стендовых испытаниях ГТД выполняется углубленный анализ вибраций с использованием специальной аппаратуры. Ведутся работы по созданию автоматизированных систем вибродиагностики.

Сердце боевых кораблей. Каковы перспективы развития морского двигателестроения России

Строительство двигателей для военных кораблей океанской и морской зоны является одной из ключевых технологий — любой современный военно-морской флот (ВМФ) немыслим без надежных, мощных и эффективных силовых установок. Серийное производство двигателей для корветов и фрегатов во многом определяет дальнейшие перспективы и направления модернизации ВМФ.

В период холодной войны Советский Союз делал акцент на развитие морского двигателестроения — страна производила собственные силовые установки для всех типов военных кораблей. Особое внимание данной сфере машиностроения уделяется и в России — после распада СССР было принято решение о создании российской морской базы газотурбостроения. Уже в 2006 и 2008 годах по заказу Министерства обороны РФ были успешно завершены опытно-конструкторские работы (ОКР) по созданию отечественных морских газотурбинных двигателей: в частности, были разработаны два морских газотурбинных двигателя — М75РУ мощностью 7000 л.с. и М70ФРУ мощностью 14 000 л.с.

В 2014 году был дан старт второму этапу программы по разработке и освоению изготовления морских газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинных агрегатов. В частности, в конце 2017 года в ОДК были выполнены три ОКР: 
•    по разработке технологии серийного изготовления двигателя мощностью 27 500 л.с. для применения в составе газотурбинных агрегатов (ГТА) водоизмещающих кораблей; 
•    по разработке ГТА на базе двигателя М70ФРУ-2 для кораблей на воздушной подушке;
•    по разработке реверсивного ГТД М70ФРУ-Р для водоизмещающих кораблей.

На эту тему

"В рамках имеющегося научно-технического задела и результатов ОКР по базовому ГТД М70ФРУ за три года были созданы новые модификации двигателей и агрегатов, которые позволяют полностью заменить украинские силовые установки для кораблей на воздушной подушке и реверсивные двигатели, находящиеся в эксплуатации", — рассказал ТАСС заместитель генерального директора — генеральный конструктор ОДК Юрий Шмотин. "Освоение в серийном производстве ГТД мощностью 27 500 л.с. позволяет обеспечить комплектование главных энергетических установок заказчика и дает возможность создавать агрегаты для перспективных кораблей", — добавил он.

Двигатель М70ФРУ

© Объединенная двигателестроительная корпорация

За три года были выполнены не только три сложнейшие работы, но и проведены техническое перевооружение предприятия, технологическая подготовка производства, строительство стендовой базы для испытаний морских двигателей и агрегатов. В конце 2017 года конструкторские работы и строительство сборочно-испытательного комплекса были успешно завершены. 

"На сегодня в ОДК создана линейка морских газотурбинных двигателей мощностью от 7000 до 27 500 л.с., которая в краткосрочной и среднесрочной перспективе закрывает потребности флота в газотурбинных двигателях для всех строящихся и перспективных кораблей различных классов", — сообщил заместитель генерального директора ОДК Виктор Поляков. Таким образом, ОДК обладает компетенциями в проектировании (разработке), серийном изготовлении, гарантийном, послепродажном сервисном обслуживании и ремонте ГТД морского исполнения и агрегатов на их основе.

На сегодня в ОДК создана линейка морских газотурбинных двигателей мощностью от 7000 до 27 500 л.с., которая в краткосрочной и среднесрочной перспективе закрывает потребности флота в газотурбинных двигателях для всех строящихся и перспективных кораблей различных классов

Виктор Поляков

заместитель генерального директора ОДК

В настоящее время ОДК освоила производство морских двигателей для всех надводных кораблей ВМФ РФ с газотурбинными энергетическими установками. "В частности, корпорация готова предоставить ВМФ двигатели для применения в составе десантных кораблей на воздушной подушке проектов 12061 и 12322, корветов проекта 20386, фрегатов проектов 22350/22350М и 11356, а также кораблей, находящихся в эксплуатации при их модернизации", — отметили в ОДК.

Двигатели для фрегатов

На эту тему

Для новейших фрегатов проекта 22350 корпорация освоила в производстве ГТД М90ФР, который применяется в составе дизель-газотурбинного агрегата М55Р. "В 2020 году ОДК осуществила поставку "Северной верфи" двух первых агрегатов М55Р для фрегата "Адмирал Головко". На текущий момент успешно проведены испытания третьего агрегата для фрегата "Адмирал Исаков" и проводятся испытания четвертого агрегата для укомплектования этого корабля", — добавили в ОДК, отметив, что четвертый дизель-газотурбинный агрегат планируется к поставке после завершения стендовых испытаний в июле-августе 2021 года. Фрегаты проекта 22350 "Адмирал Головко" и "Адмирал Исаков" являются третьим и четвертым кораблями серии.

Газотурбинный двигатель М90ФР

© Объединенная двигателестроительная корпорация

Предполагается, что М90ФР станет основой для перспективных морских двигателей. В частности, ОДК прорабатывает варианты создания двигателя мощностью 25 МВт на базе М90ФР. Шмотин рассказал, что результаты также будут являться научно-техническим заделом для разработки двигателей в мощностном диапазоне 25–35 МВт.

В корпорации подчеркнули, что корпорация может полностью поставить государственному заказчику ГТД и ГТА в необходимых объемах. "На сегодня планируемый объем поставок составляет порядка 20 ГТД М90ФР", — сообщили в ОДК.

На эту тему

Стоит отметить, что корабли с двигателями иностранного производства также могут быть оснащены М90ФР в ходе ремоторизации. "Однако, учитывая "возраст" кораблей и необходимость привлечения серьезных средств для модернизации главных энергетических установок и систем управления корабля, такого решения не принималось, — рассказывают в корпорации. — Выполняется ремонт существующих газотурбинных двигателей украинского производства, который также производится на предприятиях ОДК". 

Корпорация также подготовилась к послепродажному обслуживанию двигателей М90ФР — с этой целью было создано отдельное дочернее предприятие. По оценкам экспертов, двигатель М90ФР не уступает иностранным аналогам и соответствует мировым тенденциям развития морских ГТД 4-го поколения.

Ведутся работы и по созданию новейших силовых установок. В частности, на стадии реализации находится проект по разработке газотурбинного агрегата для перспективного фрегата. В качестве маршевого двигателя будет применен М70ФРУ, а форсажного — М90ФР, разработанные ОДК.

Новым корветам — новые двигатели

Для применения в составе энергетической установки перспективных корветов проекта 20386 ОДК разработала модификацию двигателя М90ФР. "Два двигателя изготовлены, успешно испытаны и готовы к передаче заказчику", — добавили в пресс-службе.

Кроме того, корпорацией создан ряд унифицированных двигателей М70ФРУ мощностью 8000–10000 МВт для кораблей различного назначения — корветов, малых ракетных кораблей, малых артиллерийских кораблей, а также кораблей с динамическим поддержанием (десантных кораблей на воздушной подушке). 

Спецпроект на тему

Базовая модификация М70ФРУ была разработана в 2008 году (по результатам МВИ документации на изделие присвоена литера "О1"). Первоначально этот двигатель предназначался для корветов проекта 20380, однако указанные корабли тогда были укомплектованы дизельными энергетическими установками (в том числе иностранного производства), поэтому заказы на поставку серийных двигателей М70ФРУ не поступали. 

В рамках государственной программы импортозамещения в период с 2014 по 2017 год ОДК созданы две модификации данного двигателя — ГТД М70ФРУ-Р с реверсивной силовой турбиной (для надводных кораблей) и ГТД М70ФРУ-2 с передним отводом мощности (для десантных кораблей на воздушной подушке). В рамках этих работ на двигателе внедрены новые, более современные системы двигателя — локальная система автоматизированного управления, система вибродиагностики, агрегаты топливной системы и прочее. В ходе разработки М70ФРУ и его модификаций были применены технологии, соответствующие актуальным мировым тенденциям, — по оценкам экспертов, данная силовая установка относится к четвертому поколению и находится на уровне зарубежных аналогов.

Газотурбинный двигатель М70ФРУ

© Объединенная двигателестроительная корпорация

По результатам выполненной работы подтверждена готовность серийного производства новых модификаций ГТД М70ФРУ, причем несколько опытно-поставочных двигателей М70ФРУ-2 уже изготовлены для последующего применения в составе десантных кораблей на воздушной подушке проектов 12061 "Мурена" и 12322 "Зубр". Кроме того, базовая модификация ГТД М70ФРУ с учетом указанной выше модернизации планируется к применению в составе главного газотурбинного агрегата перспективного фрегата.

Морские двигатели и диверсификация производства

На данный момент ОДК создана двухтопливная модификация двигателя М90ФР, которая может быть востребована в газодобывающей отрасли, например в составе буровых платформ.

На основе М70ФРУ также разработан морской двигатель гражданского назначения — Е70/8РД. "На базе Е70/8РД создан газотурбоэлектрогенератор СГТГ-8", — сообщил Шмотин. Как Е70/8РД, так и СГТГ-8 прошли весь необходимый комплекс испытаний и готовы к серийному производству.

ОДК готова к поставкам всех вышеупомянутых гражданских двигателей, добавили в корпорации. 

Ростех последовательно реализует программы разработки современных двигателей всех типов. Создание морских газотурбинных силовых установок и агрегатов — наукоемкий высокотехнологичный процесс. Подобными компетенциями обладают всего несколько производителей в мире. Мы готовы обеспечить потребность российских судостроителей в новых силовых установках

Владимир Артяков

первый заместитель генерального директора госкорпорации "Ростех"

Перспективы развития

ОДК уже формирует научно-технический задел для создания морского двигателя 5-го поколения. "В качестве задела имеются в виду результаты реализации аванпроекта по разработке морского двигателя мощностью 25 МВт с  малоэмиссионной камерой сгорания морского исполнения и разработке новых высокотемпературных коррозионностойких сплавов", — проинформировал Шмотин, добавив, что корпорация также создает морскую силовую установку повышенной мощности — в частности, в рамках договора с Минпромторгом РФ реализуется аванпроект по разработке двигателя мощностью 34 000 л.с. (25 МВт). В качестве приоритетных направлений дальнейшего развития корабельных двигателей ОДК выделяет создание двигателей мощностью 25–35 и 13 МВт.

На эту тему

Наряду с созданием новых морских двигателей проводится и модернизация процессов их разработки и производства. С декабря 2020 года в рамках договора с Минпромторгом РФ реализуется научно-исследовательская работа по созданию цифрового двойника морского ГТД и редуктора. "Срок окончания работ — октябрь 2023 года. В процессе реализации данного проекта ОДК должна получить действующую технологию/платформу создания цифровых двойников, которая будет применяться во всех последующих разработках новых изделий", — сообщил Шмотин.

Все большее применение при проектировании двигателей находят аддитивные технологии — первый положительный опыт их применения в сфере морских двигателей был получен в ходе создания двигателя М70ФРУ-Р.

В настоящее время ОДК применяет уже отечественные материалы, созданные при помощи аддитивных технологий и не уступающие по своим характеристикам иностранным аналогам

Кроме того, выполняется разработка и применение новых материалов для создания термобарьерных покрытий лопаток горячей части двигателя, позволяющих повысить температуру газа перед турбиной и тем самым повысить мощность силовой установки. "В рамках договора с Минпромторгом РФ реализуется научно-исследовательская работа, направленная на разработку новых высокотемпературных коррозионностойких сплавов", — подытожил Шмотин.

Дмитрий Федюшко
ТАСС благодарит за помощь в подготовке материала пресс-службу ОДК

Повышение энергоэффективности конвертированных авиационных газотурбинных двигателей типа НК-16СТ с использованием обращенного газогенератора | Гафуров

1. Peter Jansohn. Modern Gas Turbine Systems: High Efficiency, Low Emission, Fuel Flexible Power Generation. Woodhead Publishing Series in Energy. Elsevier, 2013. 837 pages.

2. Иноземцев А.А., Нихамкин М.А. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Общие сведения. Основные параметры и требования. Конструктивные и силовые схемы. М.: Машиностроение, 2008. 208 с.

3. РТЭ ГТД НК-16СТ. Электронный ресурс / Режим доступа: http://www.turbinist.ru/6830-rtegtd-nk-16st.html.

4. Гафуров А.М., Осипов Б.М., Титов А.В., Гафуров Н.М. Программная среда для проведения энергоаудита газотурбинных установок. // Энергетика Татарстана. 2015. № 3 (39). С. 20–25.

5. Титов А.В., Осипов Б.М. Автоматизированная система газодинамического расчета энергетических турбомашин редакция 014. / Программа для ЭВМ № 2015613993 РФ, 20.04.2015 г.

6. Перельштейн Б.Х. Новые энергетические системы: Монография. Казань: Изд-во Казан. гос.

7. техн. ун-та, 2008. 244 с.

8. Николаев Г.П., Лойко А.Э. Техническая термодинамика. / Учебное издание. Екатеринбург, УрФУ, 2013. 227 с.

9. Гафуров А.М. Потенциал для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии в работу теплового двигателя. // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2014. №3 (23). С. 19–24.

10. Чумаков Ю.А. Теория и расчет транспортных газотурбинных двигателей. / Учебник. Изд-во Инфра-М, 2012. 448 с.

11. Ananthanarayanan. P.N. Basic Refrigeration and Air Conditioning. Fourth edition. Tata McGrawHill Education, 2013. 738 pages.

ОДК внедряет технологии цифрового двойника в разработку газотурбинных двигателей

Фото: Объединенная двигателестроительная корпорация

Объединенная двигателестроительная корпорация Ростеха перешла к созданию новых конкурентоспособных двигателей на основе концепции цифрового двойника и с учетом самых передовых технологий, представленных на мировом рынке. 

В ОДК уже реализованы проекты по созданию цифрового двойника авиационных двигателей ТВ7-117СТ и АИ222-25. Технологии цифрового двойника обеспечили успешное выполнение первого этапа испытаний опытного газогенератора нового авиационного двигателя ПД-8 и обработку результатов. Уже запущен проект создания цифрового двойника морского двигателя и редуктора в составе агрегата. Также разрабатывается универсальная цифровая платформа для создания цифровых двойников газотурбинных двигателей. 

«Общее число требований к технологии цифрового двойника газотурбинного двигателя может достигать нескольких тысяч. Их подтверждают с помощью сотен расчетных моделей разного уровня детализации. Именно концепция цифрового двойника позволяет обеспечить системный подход к разработке двигателя, а также соединить различные уровни компонентов и силовой установки в целом, найти оптимальные сочетания параметров узлов из широкого возможного ряда вариантов их исполнения», – рассказал руководитель проекта ОДК «Высокопроизводительные вычисления и цифровые двойники изделий» Александр Никулин. 

Объединенная двигателестроительная корпорация ведет проект «Высокопроизводительные вычисления и цифровые двойники изделий» для интеграции на своих предприятиях различных подходов к созданию элементов цифрового двойника газотурбинных двигателей. 

«Применение технологии цифрового двойника позволяет управлять жизненным циклом газотурбинного двигателя, проводить виртуальные испытания. В результате мы можем сокращать сроки разработки двигателя, корректировать работу на всех этапах и существенно снижать затраты, до 30%», – отметил заместитель начальника ОКБ-1 по расчетно-исследовательским работам ПАО «ОДК-Сатурн» Кирилл Виноградов. 

При таком подходе виртуальный прототип двигателя полностью повторяет поведение физического газотурбинного двигателя, включая все внутренние процессы, условия эксплуатации, техническое состояние и наработку конкретного экземпляра. Цифровой двойник двигателя должен содержать в себе данные основных этапов жизненного цикла: проектирование, производство, испытания, эксплуатация, а также располагаться в едином информационном пространстве для коллективной распределенной работы специалистов. Исключительно важен уровень точности и соответствия используемых математических моделей реальным физическим объектам. 

Методология управления жизненным циклом газотурбинного двигателя на основе технологии цифрового двойника была подробно рассмотрена в презентации Объединенной двигателестроительной корпорации на МАКС-2021.

События, связанные с этим
26 июля 2021

ОДК внедряет технологии цифрового двойника в разработку газотурбинных двигателей

Подпишитесь на новости

Системы электрозапуска газотурбинных двигателей

Вращающий момент, Н·м122,5 Н·м

Частота вращения, об/мин9000 об/мин

Масса электростартера, кг135,5 кг

«Исследовательские работы по разработке экспериментальной технологии создания цифрового двойника морского газотурбинного двигателя и редуктора в составе агрегата» - FEA.RU | CompMechLab

По заказу АО «ОДК» специалисты Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab®) (ИЦ «ЦКИ») СПбПУ – ключевого подразделения Центра НТИ СПбПУ – приступили к реализации масштабного проекта по разработке цифрового двойника морского газотурбинного двигателя и редуктора в составе агрегата.

В числе целей проекта, рассчитанного на 3 года, – разработка экспериментальной технологии создания цифрового двойника (ЦД) морского газотурбинного двигателя (ГТД), развитие подходов системного инжиниринга на основе моделей в обеспечение устойчивого развития корабельных газотурбинных двигателей и агрегатов, создание ЦД двигателя М90ФР на базе Цифровой платформы CML-Bench™, являющейся собственной разработкой ИЦ «ЦКИ».

ГТД М90ФР применяется в составе дизель-газотурбинного агрегата М55Р, поставляемых для новейших фрегатов проекта 22350. В 2020 году ОДК осуществила поставку «Северной верфи» двух первых агрегатов М55Р для фрегата «Адмирал Головко». На текущий момент после успешно проведенных испытаний третий агрегат отгружен заказчику для фрегата «Адмирал Исаков», и проводятся испытания четвертого агрегата для укомплектования этого корабля. Предполагается, что М90ФР станет основой для перспективных морских двигателей. В частности, ОДК прорабатывает варианты создания двигателей мощностью 25–35 МВт на базе М90ФР.

По результатам реализации проекта Центр НТИ СПбПУ предоставит корпорации высокоточные верифицированные численные математические модели, модули цифровой платформы для создания ЦД морского ГТД и методику разработки морского ГТД на основе моделей и ЦД.

Александр Тамм, и.о. начальника отдела по взаимодействию с ОПК Центра НТИ СПбПУ: «Наша задача – произвести адаптацию под нужды ОДК единой программно-технологической платформы CML-Bench™. По сути, стоит задача взаимоувязать ключевые технологии и методики проектирования, существующие у заказчика, перенести опыт разработки в цифровую среду; дать возможность и инженеру-технологу, и главному конструктору работать в прозрачном процессе подтверждения требований к изделию. Наряду с задачей формирования цифрового опыта проектирования также необходимо разработать цифровые модели двигателя, редуктора, провести широкий спектр виртуальных испытаний, выйдя затем на разработку модификаций установки».

Заместитель генерального директора – генеральный конструктор ОДК Юрий Шмотин: «Цифровизация сокращает сроки и стоимость создания морских газотурбинных двигателей нового поколения. Кроме того, цифровой двойник позволит нам предложить заказчикам экономически выгодную услугу – контракт полного жизненного цикла, подразумевающий поставку и обслуживание двигателя на всех этапах эксплуатации».

Кирилл Пятунин, начальник конструкторского отдела систем инженерного анализа предприятия «ОДК»: «В рамках государственного заказа, соисполнителем которого выступает СПбПУ Петра Великого, мы запустили проект по разработке цифровой платформы для создания и управления данными цифровых двойников двигателей, проведения виртуальных испытаний ГТД, узлов и систем, диагностики и прогнозирования технического состояния двигателей. Платформа будет применяться во всех последующих разработках новых изделий ПАО «ОДК-Сатурн», в частности – морского ГТД мощностью 25 МВт».

Проект реализуется в 4 этапа:

  • Этап 1 – подготовка базовых компонентов цифрового двойника, 1 очередь.
  • Этап 2 – разработка экспериментальной технологии создания цифрового двойника ГТД, 1 очередь.
  • Этап 3 – подготовка базовых компонентов цифрового двойника, 2 очередь. Разработка экспериментальной технологии создания цифрового двойника ГТД, 2 очередь. Апробация технологии цифрового двойника, 1 очередь.
  • Этап 4 – разработка экспериментальной технологии создания цифрового двойника ГТД, 3 очередь. Апробация технологии цифрового двойника, 2 очередь.

Срок окончания работ – октябрь 2023 года.

В соответствии с техническим заданием по проекту за это время будет разработано 6 программных продуктов, входящих в состав модулей цифровой платформы, более 380 численных математических моделей систем и узлов ГТД, проведено почти 2000 виртуальных испытаний.

Модель редуктора морского ГТД М90ФР


Полное название проекта: «Исследовательские работы по разработке экспериментальной технологии создания цифрового двойника морского газотурбинного двигателя и редуктора в составе агрегата»

Государственный заказчик: Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Государственный контракт от 29.12.2020 г. № 2023020101242000000000000/20208.4470019.09.009 между предприятием «ОДК» и Минпромторгом России, идентификатор 2023020101242000000000000)

Головной исполнитель: Предприятие «ОДК»

Соисполнители: Инжиниринговый центр «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab®) (ИЦ «ЦКИ») СПбПУ; Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова

Руководитель работ от СПбПУ: проректор по цифровой трансформации, руководитель Центра НТИ СПбПУ, руководитель ИЦ «ЦКИ» СПбПУ А.И. Боровков

Радиографический комплекс для роторов газотурбинных двигателей


Please use this identifier to cite or link to this item: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/48535

Title: Радиографический комплекс для роторов газотурбинных двигателей
Authors: Стасевский, Виктор Игоревич
metadata.dc.contributor.advisor: Костюченко, Тамара Георгиевна
Keywords: радиографический комплекс; поворотный стол; робот-манипулятор; планшайба; рама; radiographic complex; rotary table; robotic manipulator; faceplate; frame
Issue Date: 2018
Citation: Стасевский В. И. Радиографический комплекс для роторов газотурбинных двигателей : магистерская диссертация / В. И. Стасевский ; Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ), Инженерная школа неразрушающего контроля и безопасности (ИШНКБ), Отделение электронной инженерии (ОЭИ) ; науч. рук. Т. Г. Костюченко. — Томск, 2018.
Abstract: Объект исследования:радиографический комплекс (РК) для роторов газотурбинных двигателей. Цель работы – проектирование конструктивных элементов для размещения робота-манипулятора, объекта контроля и рентгеновского аппарата. Решены следующие задачи: Проектирование оптимальной конструкции платформы; Проектирование планшайбы; Проектирование рамы оптимальной конструкции для перемещения по ней рентгеновского аппарата; Выбор материалов для элементов радиографического комплекса; Проведение статического анализа для расчета конструкций на прочность; Разработка рабочих чертежей для платформы, планшайбы и рамы. Основные конструктивные, технологические и технико-эксплуатационные характеристики: реализована возможность сканировать крупногабаритные объекты с помощью РК.
Research object: the radiographic complex (RC) for rotors of gas-turbine engines. The work purpose – design of structural elements for placement of the robot manipulator, subject to control and the x-ray device. The following tasks are solved: Design of an optimum structure of the platform; Design of the faceplate; Design of a frame of an optimum design for movement on her the x-ray device; The choice of materials for elements of a radiographic complex; Carrying out the static analysis for calculation of designs on durability; Development of working drawings for the platform, the faceplate and a frame. Main constructive, technical and technical and operational characteristics: an opportunity to scan large-size objects by means of RK is realized.
URI: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/48535
Appears in Collections:Магистерские диссертации

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.

Типы газовых турбин

Чтобы самолет двигался по воздуху, мы должны использовать какую-то двигательную установку для создания тяги. Наиболее широко используемые формой силовой установки современного самолета является газовая газотурбинный двигатель. Турбинные двигатели бывают самых разных форм.

На этой странице показаны компьютерные чертежи четырех различных вариантов газовая турбина или реактивный двигатель. Хотя каждый из двигателей отличается, у них есть некоторые общие части. Каждый из в этих двигателях есть секция сгорания (красный), компрессор (голубой), турбина (пурпурный) и вход и сопло (серый).Компрессор, горелка и турбина называются основной двигателя, так как все газовые турбины имеют эти компоненты. Ядро также обозначается как газогенератор так как на выходе из активной зоны идет горячий выхлопной газ. Газ пропущен через сопло для создания тяги турбореактивного двигателя, при этом он используется для привода турбины (зеленого цвета) ТРДД и турбовинтовых двигателей. Поскольку компрессор и турбина связаны центральным валом и вращаются вместе, эта группа деталей назвал турбомашин .Работа турбореактивный дожигающий турбореактивный двигатель, турбовентилятор и турбовинтовые двигатели описаны на отдельные страницы.

Благодаря своей высокой выходной мощности и высокому тепловому КПД газотурбинные двигатели также используются в самых разных приложениях, не связанных с аэронавтикой. Подключение главный вал двигателя к электромагниту будет вырабатывать электроэнергию. Газовые турбины также может использоваться для питания кораблей, грузовиков и военных танков. В этих приложениях главный вал соединен с коробкой передач (очень похож на турбовинтовой), и получившаяся силовая установка называется турбовальный двигатель .В конце 1960-х гоночные автомобили с турбовальным двигателем соревновались в Indy 500.

Вы можете изучить конструкцию и работу различных турбин. движок с помощью интерактивного EngineSim Java-апплет. Вы можете выбрать тип двигателя и варьировать любой из параметров, которые влияют на тягу и расход топлива.


Действия:


Экскурсии с гидом
  • Реактивные двигатели:

Навигация..


Руководство для начинающих Домашняя страница

Что такое турбинный двигатель?

Drive и его партнеры могут получать комиссию, если вы покупаете продукт по одной из наших ссылок. Подробнее.

Газотурбинные двигатели, которые чаще всего оглушают на заднем ряду коммерческих рейсов по пересеченной местности, также используются в автомобилях и прототипах автомобилей уже более 60 лет. Если вам, дорогой читатель, кажется, что использование оглушающей лопасти вентилятора со скоростью 50 000 об / мин для питания вашего повседневного драйвера кажется плохой идеей, вы будете правы!

В автомобилях турбины обычно применялись одним из двух способов.Они могут использовать систему с прямым приводом, в которой двигатель напрямую приводит в движение колеса через трансмиссию, как и в случае с типичным двигателем внутреннего сгорания, или гибридную систему, в которой турбина приводит в действие систему электродвигателей в автомобиле.

Сложность всегда была проблемой, которая не мешала множеству различных производителей, больших и малых, пытаться внедрить новую технологию. Сегодня команда Drive здесь, чтобы помочь вам понять, как эти, бесспорно, крутые неудачные эксперименты стремились изменить автомобильный ландшафт.

Тойота

Toyota Sports 800 Газотурбинный гибридный концепт

Что такое газотурбинный двигатель и как он работает?

Газотурбинные двигатели бывают разных вариантов, но все стили имеют три важных компонента: вентилятор компрессора для раскрутки поступающего воздуха до высокого давления, камера сгорания, в которой топливо сжигается для питания системы, и турбина, вращающаяся за счет сжигания топлива. .

Как работает газотурбинный двигатель?

Турбина соединена с компрессором с помощью вала, поэтому, когда топливо сгорает и турбина вращается, компрессор активно втягивает больше воздуха и проталкивает его в камеру сгорания, поддерживая поток энергии. Он похож по концепции на турбокомпрессор, за исключением того, что он не приводится в движение внешним потоком воздуха - выхлопными газами работающего двигателя - он полностью автономен.

Турбинные двигатели в турбовинтовых двигателях и турбовентиляторных двигателях с высокой степенью байпасирования чаще всего встречаются не в военном секторе, поскольку они используются в гражданских самолетах.Они хорошо подходят для использования в полете, поскольку побочным продуктом камеры сгорания с чрезвычайно высоким давлением является высокоскоростной выхлопной газ, который можно использовать для создания тяги. ТРДД с малым байпасом часто используются в современных военных реактивных истребителях. Эти турбины часто соединены со второй камерой впрыска топлива и камерой сгорания после турбины. Эта система, известная как форсажная камера, обеспечивает чрезвычайно высокую тягу за счет высокого расхода топлива и высокой температуры - очереди вверх Кенни Логгинс .

Независимо от того, в каком применении, турбины чрезвычайно популярны для полета, потому что их высокая степень сжатия отлично работает даже в более тонких воздушных милях над Землей, их относительно стабильная рабочая скорость хорошо подходит для многочасового крейсерского полета на высоте, а их высокая тяга позволяет более эффективно использовать топливо.

Так что же побудило инженеров использовать их для приложений, связанных с землей, где ни одно из этих преимуществ не применимо?

Зачем нужен газотурбинный двигатель?

Турбинные двигатели имеют несколько веских причин рассматривать их для наземного использования.Во-первых, они имеют относительно мало движущихся частей по сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания и в результате теоретически более надежны.

Вторая причина - абсурдно высокий крутящий момент на низких оборотах от относительно небольшого корпуса из-за диапазона мощности газовых турбин. По этой причине газовые турбины стали преобладающими в тепловозах для дизель-электрических поездов, где высокий крутящий момент ценится при длительном пуске.

Последняя причина в том, что они часто могут работать практически на любом типе топлива, будь то бензин, дизельное топливо, а в случае президента Мексики и его демонстрации технологии Chrysler Turbine в 60-х годах, текила - вы знаете ты тоже только что услышал эту песню в своей голове.

Тойота

Гибридная система с газовой турбиной Toyota

Кто начал использовать газотурбинные двигатели?

Газотурбинные двигатели для автомобильной промышленности существуют как концепция, по крайней мере, с конца Второй мировой войны. Однако первый газотурбинный двигатель для дорожного движения был построен и приводится в действие британским производителем Rover на двигателе JET1, разработанном в 1950 году.

JET1 был концептуальным родстером с турбинным двигателем с прямым приводом, который должен был стать первой из многих моделей турбины Rover, которые появятся позже, но его преследовали ужасный пробег (около 6 миль на галлон) и относительно медленное ускорение, которое удерживало их от выпуск серийных моделей в последующие десятилетия после его постройки.

В течение 50-х годов компания Chrysler широко исследовала газовую турбину, даже дооснастив Plymouth 1954 года турбинным двигателем и проехав на нем по США в качестве рекламного трюка и испытательного упражнения.В 1963 году они разработали самый известный и широко выпускаемый автомобиль с турбинным двигателем, получивший соответствующее название Chrysler Turbine.

Было построено 50 дорожных моделей, которые были переданы представителям общественности в бесплатную двухлетнюю аренду, с совокупным пробегом 1,1 миллиона миль за период с 1964 по 1966 год. Они страдали от тех же проблем, что и JET1, когда водители жаловались на плохое качество. расход топлива, чрезвычайно медленное ускорение и высокий уровень шума турбины Redline на 60 000 об / мин. Когда Chrysler законсервировал проект Turbine, все, кроме девяти оригинальных автомобилей с кузовом Ghia, были уничтожены, чтобы предотвратить ущерб компании из-за связей с общественностью.

В 70-х годах Toyota попыталась использовать гибридную систему с газовой турбиной в нескольких концепциях, включая Century и Sports 800. Вместо прямого привода колес, как в JET1 и Chrysler Turbine, газовая турбина приводила в действие генератор, который создавал электричество, которое может быть отправлено непосредственно на двигатели на задних колесах или сохранено в аккумуляторном блоке для последующего использования.

Эта система была разработана, чтобы избежать чрезвычайно низких скоростей разгона и потенциальных проблем с запуском / остановом при прямом подключении турбины к трансмиссии, но система аккумуляторов и сложность почти удвоили вес Sports 800, потеряв при этом более половины лошадиных сил.Toyota отказалась от исследований газотурбинных гибридных двигателей в начале 1980-х годов и разделила исследования по гибридным технологиям и разработки турбин в отдельные подразделения.

Совсем недавно в продажу поступил турбинный супербайк от Marine Turbine Technologies, известный как Y2K в год своего дебюта. С газотурбинным двигателем Rolls Royce 250-C18 он выдает ошеломляющие 320 л.с. и крутящий момент 425 фут / фунт и является рекордсменом Гиннеса как самый дорогой и мощный серийный мотоцикл из когда-либо построенных. Заявленная максимальная скорость составляет 227 миль в час, но испытание этой безумной поездки обойдется вам в 270 000 долларов.Это также было показано в ужасно ужасном фильме «Крутящий момент».

Билд Бундесархив

Когда появились газовые турбины?

Газотурбинные двигатели существуют как концепция с 1000 года нашей эры, в древнем Китае, когда нагретый воздух использовался для вращения того, что мы теперь назвали бы турбиной, для приведения в действие движущихся произведений искусства, которые демонстрировались на фестивалях в ночное время. Патенты на более современные газотурбинные двигатели датируются 1791 годом, когда Джон Барбер запатентовал элементарную конструкцию двигателя безлошадной повозки, но газотурбинный двигатель не достиг промышленного успеха до 1939 года, когда в Швейцарии была запущена электростанция Невшатель.

В том же году Heinkel He 178 совершил полет как первый в мире самолет с чисто турбореактивным двигателем, и, несмотря на проблемы с полетным временем и надежностью, он проложил путь к послевоенной эре реактивных двигателей, поскольку многие другие производители двигателей усовершенствовали и усовершенствовали реактивный самолет. концепция более поздних самолетов ближе к концу войны.

Немецкий Messerschmitt Me 262 стал первым действующим реактивным самолетом в 1944 году, следуя по стопам He 178, и, хотя его использование было ограничено после распада Третьего рейха, он действительно доказал, что самолеты с турбинными двигателями были здесь, чтобы оставаться такими, какими они хвастались. максимальная скорость была почти на сотню миль в час выше, чем у самого быстрого поршневого самолета союзников того времени.

Ягуар

Какие модели в настоящее время оснащены газотурбинными двигателями?

Газотурбинные двигатели в настоящее время не используются в серийных автомобилях. Наиболее близким к производству в недавнем прошлом был концепт Jaguar CX75, в котором для питания электрической гибридной системы использовались микротурбины, работающие на дизельном топливе, но автомобиль был списан по мере обострения финансового кризиса.

Вышеупомянутый супербайк Y2K - единственное наземное транспортное средство для использования на дорогах, которое можно купить, но они построены на заказ и имеют производственные номера, выражаемые однозначными числами в год.

Виктория Скотт

Что такое гоночная история газотурбинных двигателей?

Газотурбинные двигатели неоднократно экспериментировались в гонках, поскольку основные проблемы, с которыми сталкивались потребители (в частности, низкий расход топлива и шум), были гораздо меньшими проблемами для гоночных команд.

Самые успешные автомобили были выставлены гоночной командой STP на различных гонках Инди в 60-х годах, начиная с модели STP Paxton Turbocar, управляемой Парнелли Джонсом.Приведенный в действие газотурбинным вертолетным двигателем ST6, расположенным слева от водителя, он производил 550 лошадиных сил, имел привод на четыре колеса и имел управляемый водителем воздушный тормоз для замедления. Автомобиль был быстрым - лидировал почти на всех 196 кругах гонки Индианаполис 500 1967 года - но отказ подшипника вынудил сойти с дистанции, оставив восемь миль до конца гонки. В 1968 году машина была разбита во время тренировок и больше никогда не участвовала в гонках.

Lotus 56 последовал за ним по пятам, пытаясь выиграть Indianapolis 500 с культовым клиновидным профилем открытых колесных автомобилей Lotus на десятилетие вперед, но с тем же газотурбинным двигателем ST6, который приводил в движение STP Paxton Turbocar.Несмотря на правила USAC (руководящий орган гонок Indy в то время), предписывающие размеры воздухозаборников, которые почти полностью исключили автомобили с турбинным двигателем из гонок, 56 попытался восполнить недостаток мощности с помощью усовершенствованной подвески и сложной аэродинамики.

Автомобиль, к сожалению, убил водителя Майка Спенса, когда он неправильно рассчитал поворот на практике и врезался в стену поворота. Кэрролл Шелби немедленно отозвал свои другие автомобили с турбинным двигателем из 500, заявив, что невозможно безопасно сделать гоночный автомобиль с турбинным двигателем конкурентоспособным.USAC быстро перешел к полному запрету газотурбинных автомобилей в Инди, что означало смерть 56-го. В сезоне F1 1971 года он прожил недолго, но так и не добился успеха.

Интересные факты о газотурбинных двигателях

Вы знаете, что хотите больше фактов о газотурбинных двигателях!

  • Chrysler Turbine 1963 года имела скудные 130 л.с., но шокирующие 425 фунт / фут крутящего момента. в состоянии покоя.
  • Me 262 во Второй мировой войне имел коэффициент уничтожения более 5: 1 за период его использования, с 542 убитыми союзниками и скудными 100 уничтоженными Me 262.
  • Lotus 56, пилотируемый Майком Спенсом, достиг второго самого быстрого круга в истории автодрома Индианаполиса в 1968 году - 169,6 миль в час - всего за несколько часов до того, как спенс убил Спенса.
  • Volkswagen однажды построил прототип автобуса-эркера с турбинным двигателем, который они намеревались производить, когда эффективность и стоимость будут удовлетворительными… все еще ждем этого.
  • Турбинный автомобиль Howmet TX по сей день является единственным автомобилем с турбинным двигателем, который выиграл гонку - две региональные гонки SCCA в 1968 году.

Давайте поговорим, комментарий ниже, чтобы поговорить с редакторами

The Drive !

Мы здесь, чтобы быть экспертами во всем, что связано с практическими рекомендациями.Используйте нас, хвалите нас, кричите на нас. Прокомментируйте ниже, и давайте поговорим! Вы также можете написать нам в Twitter или Instagram, вот наши профили.

Джонатон Кляйн: Twitter (@ jonathon.klein), Instagram (@jonathon_klein)

Тони Маркович: Twitter (@T_Marko), Instagram (@t_marko)

Крис Тиг: Twitter (@TeagueDrives), Instagram (@TeagueDrives)

Виктория Скотт: Twitter (@mikurubaeahina), Instagram (@reimuracing)

Видео

Посмотрите видео полностью работоспособного автомобиля Chrysler Turbine 1963 года Джея Лено ниже!

3 авиационных газотурбинных двигателя | Исследование силовых установок и энергетических систем коммерческих самолетов: сокращение глобальных выбросов углерода

будущее.Кроме того, общий коэффициент давлений 2 газовых турбин со временем увеличился, чтобы улучшить термодинамический КПД. Однако в то же время размер компрессора высокого давления, камеры сгорания и турбины уменьшился, что усугубило проблемы меньшего размера.

По мере повышения эффективности самолетов и двигателей для полета требуется меньше мощности, так что объем двигателя и мощность, требуемые при неизменных характеристиках самолета, в будущем будут уменьшаться.

Возможность улучшения

С тех пор, как в конце 1940-х годов были построены первые авиационные газовые турбины, общий КПД - от расхода топлива до движущей силы - повысился примерно с 10 процентов до текущего значения, приближаясь к 40 процентам (см. Рисунок 3.2). Вероятно, что скорость улучшения этих двигателей может продолжаться примерно на 7 процентов в десятилетие в течение следующих нескольких десятилетий при условии достаточных инвестиций в технологии. Потенциал общего улучшения лучше всего рассматривать с точки зрения составляющих КПД: термодинамической эффективности двигателя и тягового КПД движителя.

Как отмечалось выше, неясно, насколько близко к теоретическим пределам может быть возможно создание газовой турбины для коммерческого самолета, учитывая важные ограничения авиации в отношении безопасности, веса, надежности и стоимости.Несколько авторов рассмотрели вопрос о практических пределах для газовых турбин простого цикла с учетом потенциала новых материалов, архитектур двигателей и технологий компонентов. Их оценки индивидуальных пределов термодинамического и пропульсивного КПД несколько различаются (и могут по-разному разделить потери между термодинамическим и пропульсивным КПД), но они согласны с тем, что улучшение общего КПД на 30-35 процентов по сравнению с лучшими двигателями сегодня может быть достигнуто.Как показано на Рисунке 3.7, термодинамический КПД двигателя может составлять 65-70 процентов, а тяговый КПД - 90-95 процентов.

Газотурбинные двигатели

нуждаются в значительном улучшении, при этом общий КПД повышается на 30 или более процентов по сравнению с лучшими двигателями, находящимися в эксплуатации на сегодняшний день. Улучшения будут происходить за счет множества относительно небольших приращений, а не одной прорывной технологии.

Некоторые исследования показывают, что улучшение характеристик турбомашин и снижение потерь на охлаждение может улучшить термодинамический КПД на 19 процентов и 6 процентов соответственно. 3 Такой значительный выигрыш не достигается простым внедрением новой технологии в существующие двигатели. Скорее, это требует оптимизации цикла с учетом конкретных уровней рабочих характеристик компонентов, температурных возможностей и охлаждения. Практические циклы с промежуточным охлаждением или рекуперацией могут повысить эффективность еще на 4. 4 Усовершенствованные вентиляторы и гребные винты также могут повысить эффективность тяги на 10 процентов. 5 Конечно, практические ограничения тягового КПД не могут быть рассмотрены только на уровне двигателя без ссылки на конфигурацию самолета и интеграцию силовой установки, как обсуждалось в главе 2.

Подводя итог, можно сказать, что авиационные газотурбинные двигатели имеют значительные возможности для улучшения, с потенциалом повышения общего КПД на 30 или более процентов по сравнению с лучшими двигателями, находящимися в эксплуатации на сегодняшний день, с потенциалом улучшения пропульсивного КПД примерно в два раза выше термодинамического КПД. Этот уровень производительности потребует многих технологических улучшений и будет происходить в виде ряда относительно небольших приращений, несколько процентов или меньше, а не за счет одной прорывной технологии.В следующем разделе обсуждаются многие из этих технологий.

___________________

2 Общий коэффициент давления - это отношение давления на выходе компрессора к давлению на входе компрессора.

3 D.K. Холл, 2011 г., «Пределы производительности осевых ступеней турбомашин», М.С. диссертация, Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс

4 Дж. Уурр, 2013, «Будущие архитектуры и технологии гражданских авиадвигателей», представленный на 10-й Европейской конференции по турбомашинному оборудованию, http: // www.etc10.eu/mat/Whurr.pdf.

5 Д. Карлсон, 2009, «Возрождение двигателей: новые циклы, новые архитектуры и возможности для развития персонала», представленный на 19-й Международной конференции ISABE Международного общества дыхательных двигателей, Монреаль, Канада.

Газовая турбина - Energy Education

Рисунок 1. Газовая турбина с реактивным двигателем. Схема идет слева направо, детали обозначены на рис. 2. [1]

Газовая турбина - это тип турбины, в которой используется сжатый газ для вращения с целью выработки электроэнергии или обеспечения кинетической энергии самолету или реактивному самолету.Этот процесс называется циклом Брайтона. Во всех современных газовых турбинах сжатый газ создается путем сжигания такого топлива, как природный газ, керосин, пропан или реактивное топливо. Тепло, выделяемое этим топливом, расширяет воздух, который проходит через турбину, чтобы обеспечить полезную энергию. [2]

Операция

Газовые турбины теоретически просты и состоят из трех основных частей, как показано на рисунке 2: [2]

  1. Компрессор - Забирает воздух снаружи турбины и увеличивает его давление.
  2. Камера сгорания - сжигает топливо и производит газ под высоким давлением и высокой скоростью.
  3. Турбина - извлекает энергию из газа, поступающего из камеры сгорания.
Рисунок 2. Схема газотурбинного двигателя. [3]
Компрессор

На Рисунке 2 воздух всасывается слева и поступает в компрессор, который состоит из множества рядов лопастей вентилятора. В некоторых турбинах давление воздуха может увеличиваться в 30 раз. [2]

Камера сгорания

Воздух под высоким давлением проходит в эту зону, куда подается топливо.Топливо постоянно впрыскивается в эту часть, чтобы энергия, проходящая через турбину, была постоянной.

Турбина

Турбина соединена валом с лопатками компрессора, и они вращаются отдельно. Компрессор соединяется с турбиной, которая соединена с выходным валом, и, поскольку турбина вращается отдельно, она может развивать огромные скорости из-за протекающего через нее горячего газа. Этот последний вал генерирует огромных лошадиных сил, при этом большие турбины самолета вырабатывают почти 110000 л.с. - в два раза больше мощности, генерируемой Титаником. [4]

Список литературы

границ | Мониторинг вибрации газотурбинных двигателей: подходы к машинному обучению и их проблемы

Введение

Измерения вибрации обычно считаются надежным индикатором общего состояния машины (глобальный мониторинг). Общий принцип, лежащий в основе использования данных о вибрации, заключается в том, что, когда начинают развиваться неисправности, динамика системы изменяется, в результате чего модели вибрации отличаются от тех, которые наблюдаются в исправном состоянии контролируемой системы.В последние годы производители газотурбинных двигателей обратили свое внимание на повышение надежности и доступности своего парка, используя подходы к мониторингу состояния на основе данных и вибрации (King et al., 2009). Эти методы обычно предпочтительнее для стратегий онлайн-мониторинга по сравнению с подходом к моделированию, основанным на физике, при котором разрабатывается общая теоретическая модель и при ее разработке используются несколько допущений. В случае подходов к мониторингу состояния на основе данных модель, основанная на данных двигателя, может быть построена таким образом, чтобы можно было зафиксировать неотъемлемые линейные и нелинейные зависимости, в зависимости от метода, которые характерны для отслеживаемой системы.По этой причине производители двигателей видят необходимость внедрения таких подходов во время промежуточных испытаний, когда необходимо выявлять возможные дефекты на ранней стадии, до того, как произойдет полный отказ компонента.

Из-за сложных процессов, происходящих в газотурбинном двигателе, и поскольку режимы отказа таких систем редко наблюдаются на практике, парадигма обнаружения новизны обычно применяется для разработки модели, управляемой данными (Тарасенко и др., 2009) , поскольку в этом случае для обучения нужны только данные, поступающие из работоспособного состояния системы.С другой стороны, традиционные подходы мультиклассовой классификации не так просто реализовать, поскольку невозможно получить данные и / или понимание (метки) для всех классов отказов. Основная концепция метода обнаружения новизны описана Pimentel et al. (2014): обучающие данные из одного класса используются для построения управляемой данными модели, описывающей распределение, к которому они принадлежат. Данные, не принадлежащие к этому классу, являются новыми / выбросами. В контексте газотурбинного двигателя разработана модель «нормального» состояния двигателя (класс 𝒩), поскольку данные доступны только из этого класса.Затем эта модель используется для определения того, классифицируются ли новые невидимые точки данных как нормальные или «новые» (класс 𝒜), путем сравнения их с распределением, полученным из данных класса 𝒩. Такая модель должна быть достаточно чувствительной, чтобы на самой ранней стадии идентифицировать потенциальные предвестники локальных неисправностей компонентов, которые могут привести к полному отказу двигателя. Затраты на стратегию непрерывного обслуживания (т.е. вывод оборудования из эксплуатации после отказа для замены) исключительно высоки, но, что наиболее важно, требования безопасности имеют решающее значение, и, следовательно, в таких системах требуются надежные механизмы аварийной сигнализации.

Подходы к обнаружению новинок используют машинное обучение и статистику. В этом исследовании мы будем использовать непараметрический подход, специфичный для отслеживаемого двигателя и основанный исключительно на данных для разработки модели. Область обнаружения новинок составляет значительную часть дисциплины машинного обучения, поэтому здесь будет упомянуто лишь несколько примеров литературы, посвященной применению мониторинга состояния двигателя с использованием машинного обучения. Некоторые из самых ранних работ в этой области стали возможны благодаря сотрудничеству Оксфордского университета и Rolls Royce (Hayton et al., 2000). Авторы в этой статье использовали данные о вибрации для обучения одноклассной опорной векторной машины (OCSVM). Так называемые отслеживаемые приказы (определяемые как амплитуды вибрации, сосредоточенные на основе частоты вращения вала двигателя и ее гармоник) использовались в качестве обучающих функций для OCSVM. OCSVM также был реализован для обнаружения надвигающейся нестабильности горения в промышленных системах сгорания с использованием измерений давления сгорания и высокоскоростных изображений сгорания в качестве входных обучающих данных (Clifton et al., 2007). Этот метод также был расширен в Clifton et al. (2014) для калибровки оценок новизны OCSVM в условных вероятностях.

Выбор функции ядра, используемой в OCSVM, значительно влияет на точность классификации. Поскольку ядро ​​определяет сходство между двумя точками, его выбор в основном зависит от данных. Однако ширина ядра является более важным фактором, чем выбор конкретной функции ядра, поскольку ее можно выбрать таким образом, чтобы гарантировать наилучшее описание данных (Scholkopf and Smola, 2001).Хотя методы ядра считаются хорошим способом внедрения специфических знаний в такой алгоритм, как OCSVM, выбор функции ядра и настройка ее параметров не так просты. В этом исследовании авторы следуют относительно простому подходу к определению как параметра функции ядра, так и параметра штрафа за оптимизацию для OCSVM. Параметр функции ядра, который был изменен, представляет собой ширину ядра радиальной базисной функции (RBF) γ вместе с параметром штрафа за оптимизацию ν.В общем, γ управляет сложностью описания обучающих примеров, а ν определяет верхнюю границу доли точек обучающих данных, которые находятся за пределами границы, определенной для данных класса 𝒩. Используя эти два параметра, можно найти компромисс между хорошей возможностью обобщения модели и хорошим описанием данных (обучающий набор данных) для получения точных и надежных прогнозов.

Схема обнаружения новизны, которая представлена ​​в следующих разделах, была разработана для газотурбинного двигателя, который работает на ряде альтернативных видов топлива с различным соотношением воздуха к топливу.Этот двигатель используется для изучения влияния таких рабочих параметров на его характеристики (например, выбросы выхлопных газов), и, таким образом, важно обеспечить раннее обнаружение надвигающихся неисправностей, которые могут иметь место во время этих испытаний. Поскольку мы применяем обнаружение новизны в глобальной системе, для мониторинга должен использоваться весь частотный спектр вибрации, а не конкретные полосы частот, соответствующие компонентам двигателя. Как будет показано ниже, можно ожидать больших амплитуд колебаний в любой области спектра.

Экспериментальная установка и описание данных

Экспериментальные данные, использованные в этой работе, были взяты из более крупного проекта, целью которого было охарактеризовать различные альтернативные виды топлива с точки зрения характеристик двигателя, например, расхода топлива и выбросов выхлопных газов. Альтернативные виды топлива, состоящие из обычного керосинового топлива Jet-A1 и биотоплива, показали многообещающие результаты с точки зрения сокращения выбросов парниковых газов и других показателей эффективности. В нескольких исследовательских программах достаточно подробно изучались альтернативные виды топлива для авиации, как описано в Blakey et al.(2011). На установке, которая использовалась для тестирования различных альтернативных видов топлива при различных соотношениях воздух-топливо в двигателе, находится Honeywell GTCP85-129, который является вспомогательной силовой установкой типа турбовального газотурбинного двигателя. Таким образом, принцип работы этого двигателя следует типичному циклу Брайтона. Как показано на схематической диаграмме двигателя на рисунке 1, двигатель всасывает окружающий воздух из впускного отверстия (1 атм) через центробежный компрессор C1, где он повышает свое давление, ускоряя жидкость и пропуская ее через расширяющуюся секцию.Давление текучей среды дополнительно повышается во втором центробежном компрессоре C2 перед смешиванием с топливом в камере сгорания (CC) и воспламенением для добавления энергии в систему (в виде тепла) при постоянном давлении. Газы с высокой температурой и давлением распространяются через турбину, которая приводит в действие два компрессора, генератор G мощностью 32 кВт, который обеспечивает электрическую мощность самолета, и вспомогательное оборудование двигателя (EA), например топливные насосы, через редуктор скорости.

Рисунок 1 .Принципиальная схема газотурбинного двигателя экспериментальной установки, изображающая основные особенности.

Выпускной клапан (BV) двигателя позволяет отводить высокотемпературный сжатый воздух (~ 232 ° C при 338 кПа абсолютного давления) в кабину самолета и обеспечивать пневматическую мощность для запуска основных двигателей. Это позволяет испытывать двигатель в различных режимах работы, поскольку массовый расход воздуха и топлива, который поступает в CC, может изменяться в зависимости от положения BV. Когда BV открывается, частота вращения турбины будет снижаться, если не будет добавлено топливо для компенсации потерянной работы.Потери энергии возникают из-за уменьшения работы, выполняемой с рабочей жидкостью двигателя, когда она проходит через вторую ступень сжатия. Количество потерянной работы пропорционально массе отводимого воздуха м отвод и может быть выражено как w c 2 = м отвод c p dT , с c p , представляющая теплоемкость рабочей жидкости, и dT - перепад температур на второй ступени сжатия.Поскольку частота вращения вала должна оставаться постоянной на уровне 4356 ± 10,5 рад / с, контроллер расхода топлива достигает этого, регулируя давление в топливной магистрали, нагнетая поток топлива различной массы в CC.

Увеличение массового расхода топлива, поступающего в CC для поддержания постоянной скорости вращения вала без последующего увеличения массового расхода воздуха, приводит к повышению температуры выхлопных газов, как показано в таблице 1. Это можно объяснить тем, что при Это недостаток кислорода, необходимый для полного сгорания поступающего распыленного топлива, больше капель топлива переносятся дальше по потоку от CC, пока они в конечном итоге не сгорят.Это постепенное горение топлива вдоль участка сгорания заставляет связанное с ним пламя распространяться дальше в сторону зоны разбавления. Следовательно, происходит неадекватное охлаждение газового потока, что приводит к более высоким температурам на выходе из камеры сгорания и, в свою очередь, к температурам выхлопных газов. Это также означает, что существует верхний и нижний предел температуры выхлопных газов, который контролируется и регулируется электронным регулятором температуры.

Таблица 1 . Усредненные параметры работы двигателя для трех режимов работы на топливе Джет-А1.

Рассмотрены три режима работы при изменении BV на три позиции. Эти режимы типичны для вспомогательного энергоблока и соответствуют конкретной нагрузке турбины и соотношению воздух-топливо. Таким образом, нагрузка турбины зависит исключительно от отводящей нагрузки, в то время как нагрузка на вал (объем работы, необходимый для приведения в действие генератора и ЭП) остается постоянной во всех трех рабочих режимах. При использовании обычного керосинового реактивного топлива Джет-А1 средние значения основных параметров двигателя изменяются на трех режимах работы, как показано в таблице 1.Что касается режима 1, двигатель BV полностью закрыт; нет дополнительной нагрузки на турбину, в то время как режим 2 является настройкой средней мощности и используется, когда главные двигатели выключены и есть требование для работы гидравлических систем самолета. В режиме 3 двигатель BV полностью открыт, что соответствует максимальному уровню нагрузки на турбину и температуре выхлопных газов. Этот режим работы выбирается, когда для запуска главных двигателей самолета требуется пневматическая энергия, за счет подачи воздуха под высоким давлением, достаточного для вращения лопаток турбины, до тех пор, пока не будет достигнута автономная работа на мощности.

Пьезоэлектрический акселерометр с чувствительностью 10 мВ / г был размещен на опорной конструкции двигателя с частотой дискретизации 2 кГц ( f s = 2 кГц). Продолжительность каждого теста составляла 110 с. Рассмотренные виды топлива представляют собой смеси Jet-A1 и топлива для биотоплива [гидрообработанные сложные эфиры и жирные кислоты (HEFA)]. Удельная плотность энергии HEFA составляет 44 МДж / кг, и, таким образом, он может выделять такое же количество энергии для данного количества топлива, что и Jet-A1. Массовые доли биотоплива, смешанного с Jet-A1 в этом исследовании, следующие: 0, 2, 10, 15, 25, 30, 50, 75, 85, 95 и 100%.Для сравнения также рассматривались дополнительные смеси топлив: 50% сжиженный природный газ (СПГ) + 50% Jet-A1, 100% СПГ и 11% толуол + 89% растворитель Banner.

На рисунках 2 и 3 показаны примеры нормированных ускорений во временной и частотной областях соответственно. Нормализация была выполнена путем деления каждой амплитуды ускорения во временной и частотной областях на соответствующее максимальное значение, то есть нормализованную единицу, так что все амплитуды, соответствующие различным наборам данных, изменяются в одном диапазоне [0, 1].Во временной области показано, что существуют определенные условия двигателя, например, 85% Jet-A1 + 15% HEFA, в которых вибрационные характеристики двигателя, работающего в установившемся режиме, демонстрируют сильные нестационарные тенденции. В то время как для таких условий, как 50% Jet-A1 + 50% HEFA, вибрационные отклики содержат периодические характеристики, что более четко видно на графиках в частотной области. Обратите внимание, что фактическое зарегистрированное время ускорения для каждого состояния двигателя составляло 110 с, но для ясности на графиках показаны только 2 с.На Рисунке 3 показано, что при условии 85% Jet-A1 + 15% HEFA двигатель испытывает самый высокий общий уровень амплитуды во всем спектре в режимах 1 и 3. В то время как в режиме 2 двигатель работает в условиях 50% Jet-A1 + 50% HEFA демонстрирует самые высокие уровни вибрации во всем частотном спектре. Вышеизложенное демонстрирует, что изменение соотношения воздух-топливо изменяет статистические свойства наборов данных и, следовательно, частотную характеристику двигателя для различных топливных смесей.Для режимов 1 и 3 при условии 50% Jet-A1 + 50% HEFA присутствует сильная частотная составляющая на 100 Гц. Сильная периодичность также присутствует для 100% СПГ с той же частотой. Следовательно, глядя на данные, мы можем выделить две основные группы, то есть те, которые содержат некоторые сильные периодические шаблоны, и те, которые не разделяют эту характеристику и в этом случае могут быть нестационарными, если соответствующая оценка их статистики во временной области подтверждает что.

Рисунок 2 .Нормализованные временные графики вибрации двигателя для четырех различных топливных смесей при самом высоком тестируемом соотношении воздух-топливо.

Рисунок 3 . Графики нормализованной спектральной плотности мощности вибрации двигателя на пяти различных топливных смесях от самого низкого (режим 1) до самого высокого (режим 3) отношения воздух-топливо.

Трудно дать теоретическое объяснение физического контекста полученных вибрационных откликов без действительной основанной на физике модели, которая может предсказать вибрационную реакцию двигателя как результат системы, в которой, помимо контекста динамики, сложная термохимическая, и имеют место другие физические процессы.В то же время природа проблемы моделирования / мониторинга, если подходить к ней с точки зрения физики, предполагает, что проверка модели будет серьезной проблемой. Выбор стратегии, основанной на данных, решает эту проблему, поскольку исследуемая система (работающий двигатель) рассматривается как черный ящик.

Методы анализа данных

Как упоминалось в разделе «ВВЕДЕНИЕ», в этом исследовании используется структура машинного обучения для мониторинга состояния двигателей с использованием данных о вибрации.Это означает, что для разработки методологии, которая может использоваться для обнаружения новых моделей двигателя на основе данных о вибрации, следует предпринять три последовательных шага, следующих за этапом сбора данных. К ним относятся предварительная обработка данных, извлечение признаков и разработка модели обучения нормальному поведению двигателя (Тарассенко и др., 2009).

Предварительная обработка исходных данных о вибрации

Чтобы улучшить способность схемы обнаружения новизны определять, принадлежит ли точка данных к классу 𝒩 или 𝒜, при удалении абсолютных значений перед извлечением признаков был применен метод предварительной обработки.Как было показано в Clifton et al. (2006), этот шаг имеет большое значение для системы обнаружения новинок, поскольку позволяет лучше различать два разных класса. Масштабирование и нормализация также важны для большинства систем мониторинга состояния для устранения любых нежелательных экологических или эксплуатационных эффектов в анализируемых данных (He et al., 2009). В качестве метода предварительной обработки он рассматривается для повышения производительности одноклассных классификаторов (Juszczak et al., 2002): это очень хорошая практика при работе с алгоритмами машинного обучения для масштабирования анализируемых данных, поскольку большие диапазоны абсолютных значений функций будут иметь тенденцию преобладать над теми, которые имеют меньшие диапазоны значений (Hsu et al., 2016). В этом исследовании цель состоит в том, чтобы увеличить разницу в амплитуде вибрации для классов 𝒩 и 𝒜, и поэтому данные выбираются для масштабирования в различных испытанных условиях (а не во времени).

Сначала была построена матрица размеров D X = { x 1 ,…, x N } класса 𝒩.Индекс i = 1,…, N ​​ используется для обозначения различных условий, которые были включены в эту матрицу, то есть различных топливных смесей в трех режимах работы. Отдельная матрица Z = { z 1 ,…, z L }, содержащая данные для обоих классов (25% условий двигателя относятся к классу 𝒜), была также построен. Эта предварительная маркировка двух классов была выполнена путем сборки матрицы со всеми необработанными данными (до предварительной обработки) и уменьшения ее размеров до 2 с помощью анализа главных компонентов (PCA) для ее визуализации.Наблюдаемым точкам данных в двумерном пространстве PCA, которые были далеки от остальных данных, была присвоена метка класса 𝒜, а всем остальным - метка класса. Например, условию 85% Jet-A1 + 15% HEFA в Режиме 1 было присвоено прежнее обозначение.

Масштабированная версия матрицы X получилась следующим образом:

χi = xi − x¯ ∕ σx, (1)

, где вектор среднего определяется как x¯ = 1N∑Ni = 1 xi, а вектор дисперсии как σx = 1N∑Ni = 1 (xi − x¯) 2.Теперь масштабированная версия матрицы Z с индексом, обозначающим различные условия в матрице j = 1,…, L , содержащая данные из обоих классов, была получена следующим образом:

ζj = zj − x¯ ∕ σx. (2)

Функция извлечения предварительно обработанных необработанных данных о вибрации

Процесс извлечения признаков следует после этапа предварительной обработки данных. Для этого выбрано преобразование вейвлет-пакета (WPT). Все коэффициенты преобразований шкалы времени используются в качестве входных данных для алгоритма, который подходит для линейного или нелинейного уменьшения размерности, анализа основных компонентов ядра (KPCA).Эта процедура преобразования данных с использованием вейвлет-баз и проекции на набор осей меньшей размерности выгодна в случаях, когда нет информации о характеристических частотах контролируемой механической системы.

Вейвлет-коэффициенты

Целью этого этапа является получение набора отличительных признаков из предварительно обработанных необработанных данных о вибрации, чтобы затем обучающая модель могла легко разделить два класса условий двигателя.Ранее на рисунке 3 было показано, что существует определенная степень несходства между условиями двигателя в отношении их амплитуд в частотном спектре. Следовательно, чтобы получить информацию как во временной, так и в частотной области из данных, необходимо использовать частотно-временные методы. Вейвлет-преобразование позволяет включать информацию о времени для частотных компонентов. Следовательно, нестационарные события можно анализировать с помощью вейвлет-преобразования. Ожидается, что данные можно будет описать более эффективно, чем с помощью методов на основе Фурье, где любые нестационарные области стохастического сигнала не локализованы во времени.Выбор частотно-временного подхода, такого как вейвлет-преобразование, может быть лучшим вариантом для типа данных, обрабатываемых в этом исследовании. Простейший метод частотно-временного анализа, кратковременное преобразование Фурье, не будет оптимальным вариантом, поскольку размер окна фиксирован. Следовательно, существуют ограничения разрешения, определяемые принципом неопределенности, которые могут затруднять анализ потенциально нестационарных частей сигнала.

Вейвлет-преобразование решает проблему фиксированного размера окна за счет использования коротких окон для анализа высокочастотных компонентов (хорошая временная локализация) и больших окон для низкочастотных компонентов (хорошая частотная локализация).Пример вейвлет-преобразований, применяемых для приложений мониторинга состояния, был представлен в Fan and Zuo (2006). Существует несколько других частотных методов для приложений мониторинга, например, разложение по эмпирическим модам, как представлено в работе Antoniadou et al. (2015), которые могут предложить аналогичные преимущества вейвлет-преобразованию. Однако в данной работе выбран последний метод, потому что он очень прост в реализации и является проверенной концепцией, которая математически хорошо обоснована. Изначально вейвлет-преобразование было разработано для построения карты параметров расширения и трансляции.Расширение представляет масштаб с ≈ 1 / частота, а перенос τ относится к операции сдвига во времени. Рассмотрим состояние двигателя n χ n ( t ), при t = {0,…, 110} s. Соответствующие вейвлет-коэффициенты можно рассчитать следующим образом:

c (s, τ) = ∫χn (t) ψs, τ (t) dt. (3)

Функция ψ s , τ представляет семейство высокочастотных функций кратковременной продолжительности и низкой частоты большой продолжительности функции прототипа функции ψ.Математически это определяется следующим образом:

ψs, τ (t) = 1 | s | ψt − τs, s> 0, (4)

, когда с <1, функция-прототип имеет меньшую продолжительность во времени, тогда как, когда с > 1, функция-прототип становится больше во времени, что соответствует высокочастотным и низкочастотным характеристикам, соответственно.

В Маллат (1999) дискретная версия уравнения. 3, а именно дискретное вейвлет-преобразование (DWT), было разработано как эффективная альтернатива непрерывному вейвлет-преобразованию.В частности, было доказано, что при использовании шкалы j и трансляции k , которые принимают только значения степеней двойки вместо промежуточных, все же может быть получено удовлетворительное частотно-временное разрешение. Это называется диадической сеткой вейвлет-коэффициентов, и функция, представленная в формуле. 4, становится набором ортогональных вейвлет-функций:

ψj, k (t) = 2j ∕ 2ψ2jt − k, (5)

, так что избыточность устраняется с использованием этого набора ортогональных вейвлет-баз, как более подробно описано в Farrar and Worden (2012).

На практике коэффициенты DWT получаются путем свертки χ n ( t ) с набором полуполосных (содержащих половину частотного содержания сигнала) фильтров нижних и верхних частот (Mallat, 1989). Это дает соответствующие поддиапазоны низких и высоких частот сигнала. Затем подполоса нижних частот подвергается дальнейшему разложению по той же схеме после прореживания на 2 (половина отсчетов может быть исключена по критерию Найквиста), в то время как подполоса верхних частот не анализируется дополнительно.Сигнал после первого уровня разложения будет иметь вдвое большее разрешение по частоте, чем исходный сигнал, поскольку он имеет половину числа точек. Эта итерационная процедура известна как двухканальное подполосное кодирование (Mallat, 1999) и обеспечивает эффективный способ вычисления вейвлет-коэффициентов с использованием сопряженных квадратурных зеркальных фильтров. Из-за плохого частотного разрешения DWT на высоких частотах для преобразования функций был выбран WPT. Разница между DWT и WPT заключается в том, что последний дополнительно разбивает поддиапазон более высоких частот.Принципиальная схема WPT до 2 уровней разложения показана на рисунке 4. Сначала сигнал χ n ( t ) свертывается с полуполосным фильтром нижних частот h ( k ) и фильтр верхних частот g ( k ). Это дает вектор вейвлет-коэффициентов c 1,1 , который фиксирует низкочастотное содержимое [0, f s /4] Гц и вектор вейвлет-коэффициентов c 2 , 1 , который захватывает высокочастотный контент ( f s /4, f s /2) Гц.После j уровней разложения коэффициенты на выходе каждого фильтра собираются в матрицу c n , что соответствует состоянию n th двигателя χ n . Обратите внимание, что каждый коэффициент имеет половину количества выборок, например χ n ( t ) на первом уровне разложения. В этом исследовании четыре уровня декомпозиции рассматривались как промежуточное значение.Вышеупомянутый процесс был повторен для остальных условий двигателя N ​​ - 1, чтобы получить матрицу коэффициентов C = { c 1 ,…, c N }.

Рисунок 4 . Принципиальная схема преобразования вейвлет-пакетов до уровня разложения 2. На каждом уровне частотный спектр разбивается на 2 поддиапазона j .

Низкоразмерные элементы

Матрица вейвлет-коэффициентов C представляет собой матрицу размеров D , т.е.е., он имеет те же размеры, что и исходный набор данных. Следовательно, элементы меньшего размера необходимы для предотвращения переобучения, которое связано с элементами большего размера. В этом исследовании PCA изначально использовался для целей визуализации, например, для наблюдения возможных кластеров точек данных для матрицы X . Его нелинейный эквивалент, KPCA, используется для уменьшения размерности, чтобы можно было зафиксировать нелинейные отношения между элементами.

Анализ главных компонентов - это метод, который можно использовать для получения нового набора ортогональных осей, которые показывают наибольшую дисперсию данных.Следовательно, C был спроецирован на 2 ортогональные оси из своего исходного размера D . В PCA собственные значения λ k и собственные векторы u k ковариационной матрицы S C из C 9027, решая следующее собственное значение C 9027. проблема:

, где k = 1,…, D . Собственный вектор u 1 , соответствующий наибольшему собственному значению λ 1 , является первым главным компонентом и так далее.Двумерное представление C , то есть Y (матрица N ​​ × k ), может быть вычислено посредством линейной проекции с использованием первых двух собственных векторов:

В Schölkopf et al. (1998), был введен KPCA. Этот метод является обобщенной версией PCA, поскольку скалярные произведения ковариационной матрицы S C заменяются функцией ядра. В KPCA отображение ϕ двух точек данных, например.g. n -й и m -й вектор вейвлет-коэффициентов c n и c m , соответственно, получают с помощью функции ядра RBF следующим образом :

k (cn, см) = ecn − cm22σKPCA2. (8)

Используя приведенное выше отображение, стандартный PCA может быть выполнен в этом новом пространстве признаков ℱ, которое неявно соответствует нелинейному главному компоненту в исходном пространстве. Следовательно, скалярные произведения ковариационной матрицы заменяются ядром RBF следующим образом:

Sϕ = 1 ∕ N∑Ni ϕciTϕci.(9)

Однако указанная выше матрица не может использоваться непосредственно для решения проблемы собственных значений, как в формуле. 6 из-за его большого размера. Следовательно, после некоторой алгебраической обработки собственные значения ℓ d и собственные векторы ud могут быть вычислены для матрицы ядра 𝒦 (размером N ​​ × N ​​) вместо ковариационной матрицы (размера ℱ × ℱ). Следовательно, в KPCA вместо этого мы должны найти решение следующей проблемы собственных значений:

, где d = {1,…, N ​​}, поскольку ℱ> N ​​, количество ненулевых собственных значений не может превышать количество рабочих условий двигателя N ​​ (Bishop, 2006).Используя собственные векторы матрицы ядра, можно получить новые проекции Y = y1,…, yN отображенных точек данных вейвлет-коэффициентов ϕ ( c i ) на нелинейной поверхности. размерности d , которая может варьироваться от 1 до N ​​.

Обучающая модель для обнаружения новинок

Поддержка векторных машин в качестве инструмента для классификации предлагает гибкость искусственной нейронной сети, преодолевая при этом ее недостатки.Использование функции ядра для расширения исходного входного пространства в пространство более высокой размерности для нахождения гиперплоскости линейного решения тесно связано с добавлением дополнительных слоев в искусственную нейронную сеть. Следовательно, алгоритм может быть адаптирован для лучшего соответствия характеристикам наших данных таким образом, чтобы повысить точность прогнозирования. Учитывая, что OCSVM формирует задачу квадратичной оптимизации, он гарантирует нахождение оптимального решения того места, где должна располагаться гиперплоскость линейного решения (Schölkopf et al., 2001; Шоу-Тейлор и Кристианини, 2004 г.). С другой стороны, можно получить локальный оптимум как решение для нахождения среднеквадратичной ошибки в искусственной нейронной сети с использованием алгоритма спуска градиента.

В качестве обучающих данных используется матрица, полученная из KPCA, т.е. 𝒴 . Принимая во внимание, что низкоразмерные представления данных тестирования (из матрицы Z ) получаются путем выполнения того же преобразования признаков, выбора и т. Д.Методология OCSVM позволяет использовать функцию ядра RBF, которая отображает точки данных в 𝒴 таким же образом, как и в KPCA. Однако формулировка в наборе инструментов LIBSVM (Chang and Lin, 2011) немного отличается для ядра RBF. Учитывая две точки данных yn и ym, ядро ​​RBF, реализованное в OCSVM, определяется следующим образом:

k (yn, ym) = e − γyn − ym2. (11)

После того, как обучающие данные отображаются через ядро ​​RBF, источник в этом новом пространстве функций рассматривается как единственный член данных класса 𝒜.Затем определяется гиперплоскость, так что отображаемые обучающие данные отделяются от исходной точки с максимальным запасом. Гиперплоскость в отображенном пространстве признаков расположена в точке ϕ (yi) −ρ = 0, где ρ - общая переменная поля. Чтобы отделить все отображенные точки данных от начала координат, необходимо решить следующую квадратичную программу:

minw, ρ, ξ 0.5wTw + 1υN∑iξi − ρ при условии: (wϕ (yi)) ≥ρ − ξi, i = 1,…, N, ξi≥0, (12)

, где w - вектор нормали к гиперплоскости, а ξ называются резервными переменными и используются для количественной оценки ошибки неправильной классификации каждой точки данных отдельно в соответствии с расстоянием от соответствующей границы.Значение ν, которое было упомянуто ранее, отвечает за штрафные санкции за неправильную классификацию и ограничено ν ∈ (0, 1]. Решение, которое определяет, принадлежит ли невидимая точка данных y ∗, т. Е. Из матрицы Z , к любому из два класса условий двигателя могут быть созданы с помощью следующей функции:

gy ∗ = sgnwϕy ∗ −ρ. (13)

Для точки данных из класса 𝒜 gy ∗> 0, в противном случае gy ∗ ≤0. Обратите внимание, что из практических соображений проблема оптимизации в формуле. 12 решается введением множителей Лагранжа.Одна из основных причин этого заключается в том, что это позволяет записывать оптимизацию в терминах скалярных произведений. Это приводит к «уловке с ядром», которая позволяет обобщить проблему на нелинейный случай с помощью подходящих ядерных функций, таких как ядро ​​RBF, которое используется в этом исследовании.

Результаты и обсуждение

В этой работе ядро ​​RBF использовалось для отображения точек данных OCSVM в бесконечномерное пространство признаков, где может быть достигнуто линейное разделение двух классов.Применив OCSVM к нашей проблеме, мы получили широкий спектр формулировок функций ядра для использования. Ядро RBF - одно из самых популярных, поскольку оно подразумевает общие свойства гладкости для набора данных, предположение, которое обычно принимается во многих реальных приложениях, как более подробно обсуждается в Scholkopf and Smola (2001). Ядро RBF имеет два параметра, которые необходимо определить, чтобы адаптировать алгоритм OCSVM к характеристикам сигналов вибрации, ожидаемых в этом исследовании.Эти параметры называются шириной ядра γ и штрафом за оптимизацию ν. Наблюдая за изменением точности проверки α ν OCSVM на мелкой сетке значений γ и ν, можно было определить комбинацию этих двух значений, которая максимизирует α ν . Значения γ и ν были выбраны с шагом в 2, как это было предложено в практическом исследовании Hsu et al. (2016). Точность проверки была рассчитана с использованием 10-кратной схемы перекрестной проверки для предотвращения переобучения данных.Как более подробно описано в Bishop (2006), схема перекрестной проверки используется, когда объем обучающих данных невелик. В таких случаях недостаточно данных, чтобы разделить их на наборы данных для обучения и проверки, чтобы исследовать надежность и точность модели. В нашем исследовании количество режимов работы двигателя относительно невелико по сравнению с количеством измерений в матрице характеристик. Таким образом, схема перекрестной проверки - возможное решение проблемы недостаточного количества обучающих данных.Более подробно, в этой схеме данные сначала делятся на 10 подмножеств одинакового размера. Каждое подмножество используется для последовательного тестирования эффективности классификации модели (которая была обучена на других девяти подмножествах). Каждая точка данных в наборе данных для обучения вибрации прогнозируется один раз. Следовательно, точность перекрестной проверки - это процент правильных классификаций в наборе данных виброобучения.

На рисунке 5 мы представляем два типичных результата изменения точности перекрестной проверки на сеточном пространстве параметров γ и ν.Эти результаты соответствуют точности перекрестной проверки, полученной путем обучения OCSVM с набором данных вейвлет-коэффициентов после «сжатия» с помощью PCA (правый график) и KPCA (левый график). Точность перекрестной проверки оценивалась с помощью ν. в диапазоне от 0,001 до 0,8 с шагом 0,002, тогда как γ находится в диапазоне 2 −25 и 2 25 с шагом 2. Выбор этого сеточного пространства для ν был сделан на том факте, что этот параметр ограничен, так как представляет собой верхнюю границу доли обучающих данных, которые лежат не по ту сторону гиперплоскости [см. более подробную информацию в Schölkopf et al.(2001)]. В случае γ не было верхнего и нижнего пределов, поэтому был выбран относительно более широкий диапазон. В обоих случаях шаги были определены таким образом, чтобы вычислительные затраты оставались на разумном уровне. Как правило, для определения подходящих границ и размера шага при выборе размера сетки использовалась процедура проб и ошибок для данного набора данных о вибрации. Как видно из контурных графиков, поиск по сетке позволяет нам получить высокую точность проверки, когда выбрана соответствующая комбинация γ и ν.Для нашего набора данных эту комбинацию можно найти в основном при относительно низких значениях γ. По мере уменьшения значения γ попарные расстояния между точками обучающих данных становятся менее важными. Следовательно, граница принятия решения OCSVM становится более ограниченной, а его форма менее гибкой из-за того, что он будет придавать меньшее значение этим расстояниям. Обратите внимание, что примеры на рисунке 5 были получены с d = 100 для 𝒴 и D = 100 для Y (см. Низкоразмерные характеристики), с уровнем разложения WPT j = 4 и (только для KPCA) ширина ядра γ KPCA = 1.Очевидно, что при использовании KPCA с ядром RBF максимальная точность перекрестной проверки составляет около 95%, в то время как при стандартном PCA точность классификации OCSVM относительно низка, то есть около 60%. Следовательно, есть преимущество использования KPCA по сравнению со стандартным PCA для конкретного набора данных, который используется в этом исследовании. Это ожидается, поскольку KPCA обнаруживает нелинейные отношения, существующие между элементами данных.

Рисунок 5 . Изменение точности перекрестной проверки с γ и ν для одноклассной опорной векторной машинной модели обучения с использованием функций анализа главных компонентов ядра (слева) и стандартного анализа главных компонент.

Метод поиска по сетке для нахождения «подходящих» значений для γ и ν дает преимущество, когда другие параметры, например, ширина ядра KCPA σ KPCA , не могут быть легко определены. Можно продемонстрировать, что α ν можно значительно увеличить по сравнению с фиксированным набором значений по умолчанию. Набор инструментов LIBSVM предлагает значения по умолчанию: ν = d −1 и γ = 0,5. На рисунке 6 точность проверки показана для различных значений ширины ядра KPCA σ KPCA и количества главных компонентов d для случаев, когда γ и ν были выбраны из поиска по сетке и когда им были заданы фиксированные значения по умолчанию. .Из этих двух графиков ясно, что параметры OCSVM γ и ν можно «настроить» так, чтобы точность проверки могла быть максимальной, независимо от выбора d и σ KPCA . Это наблюдение демонстрирует силу методов на основе ядра в целом, поскольку ширина ядра может иметь большое влияние на описание обучающих данных. В большинстве случаев выбор этого параметра необходим только для получения подходящей адаптации наших алгоритмов (Shawe-Taylor and Cristianini, 2004).Как можно видеть, выбирая каждый раз разные комбинации ν и γ (в соответствии с процедурой поиска по сетке), максимально достижимая точность проверки всегда близка к 100%. Это значительное улучшение по сравнению с соответствующей точностью, которую можно получить с использованием фиксированного набора значений. Более того, это демонстрирует, что «настроить» машину опорных векторов не так сложно, поскольку необходимо найти только два параметра, и это можно сделать с помощью процедуры поиска по сетке. Напротив, искусственная нейронная сеть требует, чтобы ее архитектура, скорость обучения градиентного спуска, среди других параметров, были указаны заранее, что значительно усложняет проблему «настройки» алгоритма.Тем не менее, самой сильной стороной машины опорных векторов является ее способность получить глобальное оптимальное решение для любого выбранного значения γ и ν, которое мы указали, так что ее обобщающая способность всегда максимальна.

Рисунок 6 . Изменение точности перекрестной проверки для различных значений d и σ KPCA для выбранных (слева) и фиксированных (справа) значений γ и ν.

Как было показано ранее на Рисунке 5, выбранное значение γ (из поиска по сетке) было очень маленьким.Это верно для каждого исследованного случая, например, для разных значений d . По этой причине можно сказать, что алгоритм лучше обобщается с менее сложной границей решения. Однако «настройка» OCSVM оказывается сложной задачей, поскольку точность прогнозирования (с использованием набора тестовых данных) ниже ожидаемой, то есть менее 50%. Большинство ошибок произошло для точек данных, ошибочно принятых как происходящие из класса 𝒜, тогда как в действительности они принадлежали классу. Вероятные причины неудовлетворительной работы OCSVM на наборе тестовых данных обсуждаются ниже:

• На этапе проверки OCSVM оцениваются только ошибки ошибочного отклонения данных из класса 𝒩.Можно предположить, что причина такой неправильной классификации может быть связана с ошибками в вычислении параметров γ и ν, оцененных с помощью сеточного поиска. Что касается выбора γ и ν, было несколько попыток решить эту проблему другими способами, чем поиск по сетке. Например, в Xiao et al. (2015) авторы представили методы выбора ширины ядра γ OCSVM с помощью того, что они называют «геометрическими» вычислениями.

• Из-за характера данных существует много различий между условиями двигателя, а также внутри каждого условия.Следовательно, сложно разработать модель с использованием данных класса 𝒩, если характеристики каждого условия в пределах одного класса различны. Выбор подходящих обучающих данных является важным фактором для применяемых подходов, основанных на данных. В этом случае следует выбрать представление данных в областях с соответствующим временным разрешением, а выбранные алгоритмы распознавания образов должны потенциально не зависеть от обучения, а работать в адаптивной структуре.

Заключение

В этом исследовании мы использовали схему обнаружения новинок для мониторинга состояния двигателей с использованием передовых методов машинного обучения, выбранных в соответствии с типом анализируемых данных.Это привело к лучшему описанию основных проблем, с которыми можно столкнуться при следовании стратегии на основе данных для мониторинга данных о вибрации двигателя. Схема обнаружения новизны была выбрана вместо классификационного подхода из-за отсутствия обучающих данных для различных состояний работы двигателя, с которыми обычно сталкиваются в реальных приложениях. Следующие шаги были рассмотрены как фундаментальные, оптимальные методы анализа данных. Модель нормальности, основанная на OCSVM, которая была обучена распознавать сценарии нормальных и новых условий двигателя, была разработана с использованием данных двигателя, работающего в условиях, в которых двигатель испытывал низкие амплитуды вибрации.Выбор этого метода машинного обучения для обнаружения новизны был обусловлен тем фактом, что проблема распознавания образов основана на создании ядра, которое предлагает универсальность, которая может поддерживать анализ более сложных данных. В этом случае, согласно анализу, представленному в исследовании, сильное влияние штрафного параметра ν и ширины ядра γ OCSVM может повлиять на точность проверки. Используя поиск по мелкой сетке для выбора параметров ν и γ, можно достичь точности проверки, близкой к 100%, как показано в результатах.Это значительное преимущество, когда нет методологии выбора других параметров, таких как количество основных компонентов, используемых в KPCA. Это также подчеркивает одну из сильных сторон основанных на ядре методов, а именно адаптируемость к заданному набору данных. В частности, было доказано, что ядро ​​RBF очень эффективно описывает данные из механизма, выбирая соответствующее значение ширины ядра γ.

Ограничения подходов к обнаружению новизны в целом и того, что обсуждается, в частности, в этом исследовании, включают следующие моменты: обучающие данные вибрации, которые могут быть получены от двигателей, и ограничения конкретных рассмотренных алгоритмов.Для последнего обсуждался выбор ν и γ, и для расчета точности классификации с использованием выбранных ν и γ из поиска по сетке использовался независимый набор тестовых данных, который включал 25% условий из нового поведения двигателя. Несмотря на то, что результаты валидации были исключительно хорошими, и модель, похоже, не превышала данные, поскольку граница решения была гладкой, а количество опорных векторов относительно невелико, точность классификации с использованием набора тестовых данных была неудовлетворительной.Наибольшие ошибки возникали при неправильном прогнозировании точек данных на основе условий исправного двигателя как новизны. Несколько возможных причин того, почему это может произойти, были упомянуты в предыдущей части исследования.

Для улучшения схемы обнаружения новизны, представленной в этом исследовании, требуется дальнейшая работа по обучению OCSVM соответствующим образом. Например, вместо выбора ν и γ с использованием подхода поиска по сетке можно использовать методы, которые вычисляют эти параметры более принципиальным способом с использованием простой геометрии.Кроме того, функции вейвлет-преобразования, извлеченные из данных, могли привести к большому разбросу точек данных в пространстве признаков из-за того, что существует высокая изменчивость сигналов от каждого состояния двигателя. Один из способов решения этой проблемы - изучить новый набор потребностей в функциях, которые могут обеспечить лучшую кластеризацию точек данных из условий исправного двигателя, чтобы в пространстве функций можно было сформировать меньшую и более жесткую границу принятия решения. Другим предложением может быть разработка новых алгоритмов машинного обучения, которые не зависят от качества обучающих данных, а могут скорее адаптивно классифицировать различные состояния / условия работы исследуемого двигателя.

Авторские взносы

IM провел анализ машинного обучения и является первым автором исследования. ИА курировал работу (замысел и обзор). Б.К. способствовал проведению экспериментов и сбору проанализированных данных. Все авторы несут ответственность за содержание работы.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить сотрудников Центра низкоуглеродного сжигания при Университете Шеффилда за проведение экспериментов с газотурбинным двигателем и за любезно предоставленные данные о вибрации двигателя, использованные в этом исследовании.

Финансирование

IM - аспирант, получивший стипендию от факультета машиностроения Университета Шеффилда. Все авторы выражают признательность за финансирование, полученное от гранта Совета по инженерным и физическим исследованиям (EPSRC) EP / N018427 / 1.

Список литературы

Антониаду, И., Мэнсон, Г., Сташевски, В. Дж., Барщ, Т., Ворден, К. (2015). Подход частотно-временного анализа для мониторинга состояния редуктора ветряной турбины в условиях изменяющейся нагрузки. мех. Syst. Сигнальный процесс. 64, 188–216. DOI: 10.1016 / j.ymssp.2015.03.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бишоп, К. (2006). Распознавание образов и машинное обучение (информатика и статистика) .Нью-Йорк: Спрингер.

Google Scholar

Блейки, С., Рай, Л., и Уилсон, В. (2011). Альтернативные виды топлива для авиационных газовых турбин: обзор. Proc. Комбас. Inst. 33, 2863–2885. DOI: 10.1016 / j.proci.2010.09.011

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чанг, К., Линь, К. (2011). LIBSVM: библиотека для поддержки векторных машин. ACM Trans. Intell. Syst. Technol. 2, 1–27. DOI: 10.1145 / 1961189.1961199

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Клифтон, Д.А., Баннистер П. Р., Тарассенко Л. (2006). «Применение интуитивно понятной метрики новизны для мониторинга состояния реактивного двигателя», в Advances in Applied Artificial Intelligence , ред. М. Али и Р. Дапуаньи (Берлин, Гейдельберг: Springer), 1149–1158.

Google Scholar

Клифтон, Л., Клифтон, Д. А., Чжан, Ю., Уоткинсон, П., Тарассенко, Л., Инь, Х. (2014). Вероятностное обнаружение новизны с машинами опорных векторов. IEEE Trans. Надежный. 455–467. DOI: 10.1109 / TR.2014.2315911

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Клифтон, Л., Инь, Х., Клифтон, Д., и Чжан, Ю. (2007). «Обнаружение новизны комбинированного вектора поддержки для данных о многоканальном сгорании», Международная конференция IEEE по сетям, зондированию и управлению, , Лондон.

Google Scholar

Фан, X., и Цзо, М. (2006). Обнаружение неисправностей коробки передач с использованием преобразования Гильберта и вейвлет-пакетов. мех. Syst. Сигнальный процесс. 20, 966–982.DOI: 10.1016 / j.ymssp.2005.08.032

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фаррар, К., Уорден, К. (2012). Структурный мониторинг работоспособности: перспектива машинного обучения . Чичестер: Джон Уайли и сыновья.

Google Scholar

Hayton, P., Schölkopf, B., Tarassenko, L., and Anuzis, P. (2000). «Обнаружение новизны опорных векторов применительно к спектрам вибрации реактивного двигателя», Ежегодная конференция по системам обработки нейронной информации (NIPS) , Денвер.

Google Scholar

Хе, К., Ян, Р., Конг, Ф., и Ду, Р. (2009). Мониторинг состояния машин с использованием представления главных компонентов. мех. Syst. Сигнальный процесс. 23, 446–466. DOI: 10.1016 / j.ymssp.2008.03.010

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сюй, К., Чанг, К., и Лин, К. (2016). Практическое руководство по классификации опорных векторов . Тайбэй: Департамент компьютерных наук, Национальный университет Тайваня.

Google Scholar

Ющак, П., Tax, D., и Duin, R. P. W. (2002). «Масштабирование функций в описании опорных векторных данных» в Proc. ASCI , Lochem.

Google Scholar

Кинг, С., Баннистер, П. Р., Клифтон, Д. А., и Тарассенко, Л. (2009). Вероятностный подход к мониторингу состояния авиакосмических двигателей. Proc. Inst. Мех. Англ. G J. Aerosp. Англ. 223, 533–541. DOI: 10.1243 / 09544100JAERO414

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Маллат, С. (1989). Теория разложения сигнала с разным разрешением: вейвлет-представление. IEEE Trans. Pattern Anal. Мах. Intell. 11, 674–693. DOI: 10.1109 / 34.192463

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Маллат, С. (1999). Вейвлет-тур по обработке сигналов (вейвлет-анализ и его приложения) . Нью-Йорк: Academic Press.

Google Scholar

Пиментел М., Клифтон Д., Клифтон Л. и Тарассенко Л. (2014). Обзор обнаружения новинок. Обработка сигналов 99, 215–249. DOI: 10.1016 / j.sigpro.2013.12.026

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шёлкопф, Б., Платт, Дж. К., Шоу-Тейлор, Дж., Смола, А. Дж., И Уильямсон, Р. К. (2001). Оценка поддержки многомерного распределения. Neural Comput. 10, 1443–1471. DOI: 10.1162 / 089976601750264965

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Scholkopf, B., and Smola, A. (2001). Обучение с помощью ядер: машины опорных векторов, регуляризация, оптимизация и не только .Кембридж: MIT Press.

Google Scholar

Шёлкопф Б., Смола А. и Мюллер К. (1998). Нелинейный компонентный анализ как проблема собственных значений ядра. Neural Comput. 10, 1299–1319. DOI: 10.1162 / 089976698300017467

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шоу-Тейлор, Дж., И Кристианини, Н. (2004). Ядровые методы анализа паттернов . Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета.

Google Scholar

Тарасенко, Л., Клифтон, Д. А., Баннистер, П. Р., Кинг, С., Кинг, Д. (2009). «Глава 35 - Обнаружение новизны», в Энциклопедия структурного мониторинга здоровья , ред. К. Боллер, Ф. Чанг и Ю. Фуджино (Барселона: John Wiley & Sons).

Google Scholar

Газотурбинные двигатели - PetroWiki

Размеры газовых турбин варьируются от микротурбин мощностью <50 л.с. (37,3 кВт) до больших промышленных турбин мощностью> 250 000 л.с. (190 кВт). На этой странице рассказывается о газотурбинном двигателе, различиях между типами турбин и элементах, которые следует учитывать при их использовании в качестве первичного двигателя.

Процесс

Как показано на рис. 1 и рис. 2 , «открытый» цикл Брайтона является термодинамическим циклом для всех газовых турбин. Этот цикл состоит из:

  • Адиабатическое сжатие
  • Нагрев постоянного давления
  • Адиабатическое расширение

Газовая турбина состоит из следующих компонентов:

  • Воздушный компрессор
  • Камера сгорания
  • Силовая турбина, вырабатывающая мощность для привода воздушного компрессора и выходного вала
  • Фиг.1 - Упрощенная схема газовой турбины простого цикла.

  • Рис. 2 - Типичный «открытый» цикл Брайтона для газовых турбин.

Воздух поступает на вход компрессора в условиях окружающей среды (точка 1), сжимается (точка 2) и проходит через систему сгорания, где он смешивается с топливом и «сжигается» до максимальной температуры цикла (точка 3). Нагретый воздух расширяется через секцию турбины газогенератора (между точками 3 и 5), где энергия рабочего тела извлекается для выработки энергии для привода компрессора, и расширяется через силовую турбину для привода нагрузки (точка 7). .Затем воздух выбрасывается в атмосферу. Система запуска используется, чтобы довести воздушный компрессор до скорости, достаточной для подачи воздуха для сгорания с топливом, впрыскиваемым в камеру сгорания. Цикл сгорания турбины с непрерывным горением в сочетании с непрерывным вращением ротора турбины позволяет работать практически без вибраций, а также с меньшим количеством движущихся частей и точек износа по сравнению с другими первичными двигателями.

Конструкторское решение и эксплуатация

Максимальная температура цикла, TRIT

Выходная мощность газовой турбины может быть увеличена за счет увеличения максимальной температуры цикла.Максимальная температура цикла обозначается TRIT, что означает температуру на входе в ротор турбины. API 616 определяет номинальную температуру горения как рассчитанную поставщиком температуру на входе в турбину (TIT) непосредственно перед ротором первой ступени турбины для непрерывной работы при номинальной выходной мощности. TRIT рассчитывается непосредственно перед ротором первой ступени турбины и включает расчетные эффекты охлаждающего воздуха и падения температуры на лопатках статора первой ступени.

Воздушный поток

Выходная мощность газовой турбины также может быть увеличена за счет увеличения массового расхода воздуха, проходящего через газовую турбину.Геометрия газовой турбины, в частности компрессора, и скорость компрессора определяют основной массовый расход воздуха. Увеличение расхода требует увеличения скорости, которая ограничена максимальной скоростью непрерывного хода любой конкретной конструкции. При заданной скорости увеличение плотности входящего воздуха увеличивает массовый расход воздуха. Плотность поступающего воздуха увеличивается прямо пропорционально атмосферному давлению и обратно пропорционально температуре окружающей среды.

Основными параметрами, влияющими на выходную мощность, являются скорость и TRIT для любой данной механической / аэродинамической конструкции.Увеличение любого из этих параметров увеличивает выходную мощность газовой турбины. Скорость и температура могут определяться желаемой выходной мощностью и теплотой в пределах ограничений, налагаемых следующими факторами:

  • Срок службы компонентов
  • Стоимость
  • Техническая возможность

Ограничения скорости

По мере увеличения скорости газовой турбины центробежные силы на вращающиеся компоненты увеличиваются. Эти силы увеличивают нагрузку на вращающиеся компоненты, особенно на следующие:

  • Диски
  • Лезвия
  • Крепление лезвия к диску

Материалы компонентов имеют пределы напряжений, которые прямо пропорциональны их пределам скорости, и их нельзя превышать.Таким образом, максимальная непрерывная скорость вращающегося элемента зависит от:

  • Геометрия ротора
  • Свойства материала компонента
  • Расчетные факторы безопасности

Это наивысшая допустимая скорость для непрерывной работы.

Температурные ограничения

Одним из способов увеличения выходной мощности является увеличение расхода топлива и, следовательно, TRIT. По мере увеличения TRIT компоненты горячей секции работают при более высоких температурах металла, что сокращает время между проверками (TBI) газовой турбины.Поскольку срок службы материалов горячей секции ограничен нагрузкой при высокой температуре, существуют ограничения на максимальные температуры для данного значения TBI. Срок службы материала быстро уменьшается при повышении температуры. TBI - это функция времени в TRIT и скорости изменения TRIT во время переходных процессов, таких как запуск. Предел ползучести или разрушения под напряжением определяется свойствами материала в зависимости от уровня их напряжения и рабочей температуры.

Рейтинговый пункт

Номинальный балл может быть установлен для определения характеристик газовой турбины для заданных условий окружающей среды, потерь в воздуховоде, топлива и т. Д.

Международная организация по стандартизации определяет свои стандартные условия как:

  • 59 ° F
  • 1,013 бар
  • Относительная влажность 60% без потерь

Это стало стандартным рейтингом для сравнения турбин различных производителей и конструкций.

Рейтинг сайта

Рейтинг площадки - это заявление об основных характеристиках газовой турбины в конкретных условиях площадки, включая:

  • Температура окружающей среды
  • Высота
  • Потери давления в воздуховоде
  • Контроль выбросов
  • Состав топлива
  • Коробка отбора мощности вспомогательная
  • Компрессор вытяжной
  • Уровень выходной мощности

Например, повышение температуры окружающей среды снижает выходную мощность со скоростью, зависящей от конструкции газовой турбины.

Температура воздуха на входе

Рис. 3 связывает следующее с температурой воздуха на входе при оптимальной частоте вращения силовой турбины для примера газовой турбины:

  • Выходная мощность
  • Расход топлива
  • Температура выхлопных газов
  • Поток выхлопных газов
  • Рис. 3 - Выходная мощность в зависимости от температуры воздуха на входе в компрессор.

Повышение КПД турбины

Простой цикл

Большая часть механической энергии, извлекаемой из газового потока турбиной, требуется для приведения в действие воздушного компрессора, а оставшаяся часть используется для привода механической нагрузки.Энергия газового потока, не извлеченная турбиной, выбрасывается в атмосферу в виде тепла.

Рекуперативный цикл

В рекуперативном цикле, также называемом регенеративным циклом, воздух на выходе из компрессора предварительно нагревается в теплообменнике или рекуператоре, источником тепла которого является выхлоп газовой турбины. Энергия, передаваемая из выхлопных газов, снижает количество энергии, которое должно быть добавлено топливом. На рис. 4 экономия топлива представлена ​​заштрихованной областью под 2–2 ′.В стационарных рекуператорах используются три основных конструкции:

  • Пластинчатое ребро
  • Кожух и трубка
  • Первичная поверхность
  • Рис. 4 - Рекуперативный цикл.

Комбинированный цикл

Добавление пара нижнего цикла к циклу Брайтона использует тепло выхлопных газов для производства дополнительной мощности, которую можно использовать в общей нагрузке, как показано на рис. 5 , или для отдельной нагрузки.Заштрихованная область представляет собой дополнительный ввод энергии.

Система впуска воздуха

Фильтрация входящего воздуха. Качество воздуха, поступающего в газовую турбину, является очень важным аспектом при проектировании. Эффективность турбины со временем будет снижаться из-за отложений, накапливающихся на внутреннем пути потока турбины и вращающихся лопастях. Это скопление приводит к увеличению технического обслуживания и расходу топлива. Выбор и поддержание надлежащей системы фильтрации входящего воздуха для конкретных условий объекта повлияет на скорость снижения эффективности с течением времени.

Падение давления

Очень важно минимизировать падение давления воздуха, проходящего через: Впускной воздуховод Впускной воздушный фильтр Впускной глушитель (см. Подавление шума ниже)

Потеря давления атмосферного воздуха, поступающего в турбину, сильно влияет на производительность газовой турбины.

Шумоподавление

Шум, производимый газовой турбиной, в основном находится в высокочастотных диапазонах, которые не передаются в отличие от низкочастотных шумов, производимых низкоскоростными первичными двигателями, такими как поршневые двигатели.Большая часть высокочастотного шума, производимого турбиной, генерируется во впускном отверстии для воздуха, и меньшая его часть исходит от выхлопных газов. Источники шума и метод ослабления следующие:

Воздухозаборник

Глушитель на входе должен быть специально разработан с учетом профиля шума газовой турбины и требований площадки. Этот глушитель устанавливается на воздухозаборнике между воздушным фильтром и входом в воздушный компрессор турбины.

Выхлоп

Глушитель выхлопных газов должен быть специально разработан с учетом профиля шума газовой турбины и требований площадки.Высота выхлопной трубы вместе с глушителем является важным фактором. Выпуск горячих выхлопных газов на максимально возможную высоту снижает измеримый шум на уровне земли, а также имеет дополнительное преимущество, заключающееся в уменьшении вероятности рециркуляции горячих выхлопных газов обратно в воздухозаборник. Потеря давления (противодавление) на выхлопе турбины сильно влияет на производительность газовой турбины.

Кожух / коробка передач / ведомое оборудование

Шумопоглощающий кожух (и) может быть установлен непосредственно над оборудованием, например над ограждением для пешеходов на салазках или над зданием, содержащим оборудование, изолированным в соответствии с требованиями, или обоими способами.

Масляный радиатор

Наиболее распространенным методом охлаждения масла является использование воздухообменника / охладителя с вентилятором. Они создают шум вентилятора, который можно регулировать с помощью скорости вращения кончика вентилятора. Использование кожухотрубных охладителей воды может снизить уровень шума при наличии охлаждающей среды.

Типы газовых турбин

Конструкции турбин

можно различить по:

  • Режим работы
  • Типы камер сгорания
  • Конфигурация вала
  • Степень упаковки

Виды пошлины

Газотурбинные двигатели

Авиационные газотурбинные или реактивные двигатели имеют сложную конструкцию и имеют малый вес специально для двигателей самолетов.Эти конструкции требуют максимальной мощности или тяги при минимальном весе и максимальной топливной эффективности. Турбины самолетов имеют подшипники качения и имеют высокие температуры горения, требующие экзотической металлургии. Они могут работать на ограниченном количестве видов топлива. Когда реактивный двигатель используется в промышленности, он должен быть соединен с независимой силовой турбиной для выработки мощности на валу.

Тяжелые промышленные газотурбинные двигатели

Основные конструктивные параметры тяжелых промышленных газотурбинных двигателей произошли от промышленных паровых турбин, которые имеют более низкие скорости, тяжелые роторы и большие корпуса, чем реактивные двигатели, для обеспечения более длительного срока службы.Эти газовые турбины способны сжигать самый широкий спектр жидкого или газового топлива.

Газотурбинные двигатели легкой промышленности

Основные конструктивные параметры и технологии, используемые в авиационных турбинах, могут быть объединены с некоторыми конструктивными аспектами тяжелых промышленных газовых турбин для производства более легкой промышленной турбины с сроком службы, приближающимся к сроку службы тяжелой промышленной газовой турбины. Эти двигатели называются легкими промышленными газотурбинными двигателями.

Типы камер сгорания

Радиальная или кольцевая камера сгорания

Эта камера сгорания окружает вращающиеся части газовой турбины и является неотъемлемой частью корпуса двигателя ( Рис.6 ). Эта конструкция используется в авиационных турбинах и легких промышленных газовых турбинах.

  • Рис. 6 - Типовой разрез газовой турбины.

Камера сгорания

Это одно- или многотопливная система сгорания, отделенная от вращающейся турбины в виде баков внешнего сгорания ( Рис. 7 ). Конструкции, в которых используется этот тип камеры сгорания, могут сжигать более широкий спектр видов топлива.

  • Рис. 7 - Типовая газовая турбина с камерой сгорания (в разрезе).

Конфигурация вала

Один вал

Газовая турбина может иметь одновальную или двухвальную конструкцию. Одновальная конструкция состоит из одного вала, соединяющего воздушный компрессор, турбину газогенератора и силовую турбину как один вращающийся элемент ( Рис. 1 ). Эта конструкция лучше всего подходит для приложений с постоянной скоростью, таких как привод электрогенераторов с постоянной частотой.

Два вала

Двухвальная конструкция имеет воздушный компрессор и газогенератор на одном валу, а силовую турбину - на втором независимом валу.Эта конструкция обеспечивает гибкость скорости, необходимую для более эффективного охвата более широкой карты характеристик приводимого оборудования. Это позволяет производителю газа работать со скоростью, необходимой для развития мощности, необходимой для приводимого в действие оборудования, такого как центробежные компрессоры или насосы. На рис. 6 показан вид типичной двухвальной газовой турбины в разрезе. Основные компоненты включают компрессор, систему сгорания, турбину газогенератора и силовую турбину. Эта конструкция включает двухступенчатую турбину генератора газа и двухступенчатую силовую турбину.

Степень упаковки

Нормой для большинства газовых турбин, используемых в промышленности, является встраивание газовой турбины в базовую раму / салазки со всеми компонентами, необходимыми для основного рабочего агрегата. Сюда входят такие системы, как:

  • Пусковая система
  • Топливная система
  • Система смазки
  • Панель местного управления
  • В некоторых случаях коробка передач и приводное оборудование.

Дополнительные операционные системы, как правило, представляют собой отдельные предварительно спроектированные комплектные системы, которые могут быть предоставлены и настроены производителем турбины.В эту категорию входят такие системы, как:

  • Фильтрация / глушитель на впуске воздуха
  • Маслоохладители
  • Системы дистанционного управления
  • Корпуса со звукоизоляцией
  • Глушители выхлопных газов

Выхлопные газы

Ухудшение атмосферы газообразными загрязнителями - важная экологическая проблема. Газовая турбина по конструкции с основным циклом обеспечивает более чистое сгорание и производит более низкий уровень загрязняющих веществ по сравнению с другими первичными двигателями, что является большим преимуществом.Обычно регулируемые загрязняющие вещества газовой турбины:

  • Оксиды азота
  • Окись углерода
  • Углеводороды несгоревшие
  • Твердые частицы
  • Диоксид серы

Решение некоторых, но не всех, этих проблем загрязнения лежит в камере сгорания газовой турбины. Ниже следует краткое обсуждение.

Оксиды азота (NO

x )

Регулируются только два из семи оксидов азота: NO и NO2, вместе именуемые NO x .Почти все проблемы с выбросами, связанные с первичными двигателями, связаны с производством NO x и контролем NO x . Газовая турбина относительно чиста по сравнению с другими первичными двигателями. Например, газовые турбины, работающие на природном газе, обычно производят от 4 до 12 раз меньше NOx на единицу мощности, чем поршневые двигатели. Однако NOx является основным фактором при разрешении газотурбинных установок.

Окись углерода (CO)

CO также находится на очень низком уровне в выхлопных газах турбин из-за избытка воздуха в процессе сгорания.Поэтому обычно это не проблема. Однако в некоторых областях, где уровень CO в окружающей среде чрезвычайно высок или когда для контроля NO x в газовой турбине используется закачка воды, CO может быть фактором при получении разрешений.

Несгоревшие углеводороды (UHC)

В отличие от поршневых двигателей, которые производят значительное количество UHC, газовые турбины производят небольшое количество UHC, потому что большое количество избыточного воздуха, участвующего в процессе сгорания газовой турбины, полностью сжигает почти все углеводороды.Следовательно, выбросы UHC редко являются существенным фактором при получении экологических разрешений для газовых турбин.

Твердые частицы

Не были усовершенствованы методы измерения твердых частиц, которые давали бы значимые результаты для выхлопных газов газовых турбин. Это редко является фактором при получении разрешений на газовые турбины, когда в газовой турбине сжигается чистое топливо.

Диоксид серы (SO

2 )

Почти все оборудование для сжигания топлива, включая газовые турбины, преобразует всю серу, содержащуюся в топливе, в SO 2 .Это делает SO 2 проблемой топлива, а не проблемой, связанной с характеристиками турбины. Единственный эффективный способ контролировать SO 2 - это ограничить количество серы, содержащейся в топливе, или удалить SO 2 из выхлопных газов с помощью процесса мокрой очистки.

Контроль выбросов

Необходимость соответствовать или превосходить стандарты выбросов, установленные федеральными, государственными и местными кодексами, потребовала от производителей промышленных газовых турбин разработать турбины с более чистым сгоранием.Системы с сухими выбросами были разработаны с форсунками с предварительным смешиванием бедного топлива, специальной технологией сжигания и средствами управления для снижения выбросов NOx и CO за счет создания более низких максимальных температур пламени и более полного окисления углеводородного топлива. Все производители промышленных газовых турбин имеют сухие продукты с низким уровнем выбросов. Производительность зависит от конкретного продукта из-за различий в конструкции камеры сгорания.

Эти системы сжигания обедненной смеси снижают образование NOx и CO до очень низкого уровня, что делает ненужным использование дорогостоящих каталитических нейтрализаторов, требующих значительного технического обслуживания, для удаления NOx и CO после их образования.В областях с очень высокими эксплуатационными характеристиками может возникнуть необходимость в некоторых газовых турбинах использовать селективные каталитические нейтрализаторы для дальнейшего снижения уровня NOx и CO. В качестве топлива для газовой турбины выбирается чистый сухой природный газ, который производит самые чистые выхлопные газы.

Тепло выхлопных газов

Газовые турбины имеют большую часть тепловых потерь из цикла, выходящего на выхлоп. Это тепло можно рекуперировать и использовать для увеличения общего теплового КПД сжигаемого топлива. Наиболее распространенный метод использования тепла выхлопных газов - производство пара.

Список литературы

Используйте этот раздел для цитирования элементов, на которые есть ссылки в тексте, чтобы показать ваши источники. [Источники должны быть доступны читателю, т. Е. Не внутренний документ компании.]

Интересные статьи в OnePetro

Используйте этот раздел, чтобы перечислить статьи в OnePetro, которые читатель, желающий узнать больше, обязательно должен прочитать

Внешние ссылки

Используйте этот раздел, чтобы предоставить ссылки на соответствующие материалы на веб-сайтах, отличных от PetroWiki и OnePetro.

См. Также

Первичные двигатели

Поршневые двигатели

PEH: Prime_Movers

Прикладные науки | Специальный выпуск: газотурбинный двигатель

Уважаемые коллеги,

Газотурбинные двигатели широко используются в авиации и энергетике.Двигатели разработаны с учетом таких экономичных функций, как высокая эффективность, надежность и доступность. Потребность в энергии как для силовых установок, так и для выработки электроэнергии постоянно растет. В то же время рост цен на топливо является фактором, влияющим на экономику эксплуатации газовых турбин. В дополнение к этому, растет беспокойство по поводу экологических последствий работы двигателя. Контроль за выбросами привлек большое внимание в сообществе производителей газовых турбин.В этих условиях первостепенное значение приобретают новые циклы газовых турбин и совершенствование технологий.

Примером является гибридно-электрическая силовая установка, которая может значительно снизить потребление топлива в авиационной промышленности. Важность гибридных авиационных технологий заключается в улучшении их жизненного цикла и снижении неблагоприятного воздействия на окружающую среду. Следовательно, авиационная промышленность в настоящее время очень заинтересована в технологии распределенных силовых установок для дальнейшей эксплуатации, технологиях, расходе топлива, безопасности, надежности и эффективности.Кроме того, за счет применения этого метода будет достигнуто значительное снижение акустического шума, технического обслуживания, экономических отходов и выбросов в окружающую среду.

Специальный выпуск журнала Applied Sciences «Газотурбинный двигатель - к будущему энергетики» направлен на освещение инновационных технологий в разработке газовых турбин от компонентов до двигателей. Основное внимание уделяется новым циклам и гибридным электроэнергетическим системам.

Доктор Теоклис Николаидис
Проф. Перикл Пилидис
Приглашенные редакторы

Информация для подачи рукописей

Рукописи должны быть представлены онлайн на сайте www.mdpi.com, зарегистрировавшись и войдя на этот сайт. После регистрации щелкните здесь, чтобы перейти к форме отправки. Рукописи можно подавать до установленного срока. Все статьи будут рецензироваться. Принятые статьи будут постоянно публиковаться в журнале (как только они будут приняты) и будут перечислены вместе на веб-сайте специального выпуска. Приглашаются исследовательские статьи, обзорные статьи, а также короткие сообщения. Для запланированных статей название и краткое резюме (около 100 слов) можно отправить в редакцию для объявления на этом сайте.

Представленные рукописи не должны были публиковаться ранее или рассматриваться для публикации в другом месте (за исключением трудов конференции). Все рукописи тщательно рецензируются в рамках процесса одинарного слепого рецензирования. Руководство для авторов и другая важная информация для подачи рукописей доступна на странице Инструкции для авторов. Прикладные науки - это международный рецензируемый журнал с открытым доступом, выходящий раз в полгода, издающийся MDPI.

Пожалуйста, посетите страницу Инструкции для авторов перед отправкой рукописи. Плата за обработку статьи (APC) для публикации в этом журнале с открытым доступом составляет 2000 швейцарских франков. Представленные документы должны быть хорошо отформатированы и написаны на хорошем английском языке.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *