автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Разработка методов и средств испытаний приводов ГПА в условиях ремонтных предприятий

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

2. СТЕНДОВЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ПРИВОДОВ ГПА.

2.1. Общие характеристики.

2.2. Система автоматического управления испытательным стендом (САУ ИС).

2.3. Система вибрационного контроля и диагностики.

2.4. Система параметрического контроля и диагностики.

2.5. Выводы по разделу.

3. ПРОВЕДЕНИЕ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ДР59Л И ДЖ59Л.

3.1. Программа испытаний двигателей ДР59Л и ДЖ59Л для формирования вибрационного и параметрического паспортов.

3.2. Определение диагностических режимов для двигателей ДР59Л.

3.3. Статистическая вибрационная модель двигателей ДР59Л.

3.4. Выводы по разделу.

4. МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ВИБРАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ НА СТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМАХ.

4.1. Общие положения.

4.2. Алгоритмы диагностики.

4.2.1. Основные положения.

4.2.2. Принятые обозначения.

4.2.3. Алгоритм определения дисбалансов роторов.

4.3. Математическое моделирование вибрационного состояния двигателей - как средство разработки алгоритмов диагностики.

4.3.1. Введение.

4.3.2. Влияние дисбалансов на динамическое поведение ДР59Л.

4.4. пример диагностики технического состояния ДР59Л досрочно снятого из эксплуатации.

4.5. выводы по разделу.

5. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ - ВЫБЕГ.

5.1. Введение.

5.2. Каскадные диаграммы.

5.3. Амплитудно-частотные характеристики.

5.4. Спектральные карты.

5.5. Резонансные характеристики двигателя ДР59Л.

5.6. Идентификация математической модели двигателя ДР59Л по данным выбега.

5.7. Пример 1. Использование режима магнитографа на выбеге для диагностики состояния подшипников.

5.8. Пример 2. Использование режима выбега для анализа посторонних шумов, замеченных в испытании.

5.9. Выводы по разделу.

6. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ.

6.1. Общие положения.

6.2. Анализ существующих и разрабатываемых систем параметрической диагностики ГТД.

6.3. Методика исследования оборудования по термогазодинамическим параметрам в условиях стенда предприятия.

6.3.1. Условные обозначения.

6.3.2. Модели САУ.

6.3.3. Модель "Термогазодинамика-СТЕНД".

6.3.4. Модели расчета расхода воздуха.

6.3.5. Результаты испытаний модели «Термогазодинамика - СТЕНД» для двигателя ДР59Л.

6.3.6. Уточнение математической модели "Термогазодинамика СТЕНД".

6.3.7. Погрешности измерений и расчетных параметров.

6.3.8. Сравнение результатов расчета параметров термогазодинамической эффективности.

6.3.9. Диагностические признаки технического состояния приводов ГПА

6.4. выводы по разделу.

7. МОДЕЛЬ "ТЕРМОГАЗОДИНАМИКА - КС".

7.1. Метод малых отклонений.

7.2. Алгоритм расчета матрицы коэффициентов взаимного влияния при определенном наборе измеряемых и рассчитываемых параметров.

7.3. Проверка алгоритма расчета параметров с использованием матрицы коэффициентов влияния.

7.4. выводы по разделу.

Одним из заключительных этапов в производстве газотурбинных установок (ГТУ) на серийных заводах или их восстановления на ремонтных предприятиях является этап проведения контрольных и приемо-сдаточных испытаний.

На этапе контрольных испытаний проводятся измерения основных параметров, отражающих состояние двигателя, их оценка и соответствие заданным значениям. После них принимается решение о передаче двигателя заказчику. На следующем этапе по определенной программе в присутствии представителей заказчика проводятся приемо-сдаточные испытания для подтверждения результатов контрольных. По результатам этих испытаний проводится приемка двигателя заказчиком.

В совместном российско-украинском предприятии ОАО "Газтурбосервис" на протяжении нескольких последних лет велись интенсивные работы по созданию и использованию испытательного стенда для проведения контрольных и приемо-сдаточных испытаний отремонтированных двигателей ДР59Л и ДЖ59, использующихся для приводов газоперекачивающих агрегатов (ГПА). Начаты работы по созданию второго стенда для проведения испытаний двигателя ДГ90.

Работающий стенд оснащен современной системой автоматического управления (САУ), системами вибрационного и параметрического контроля и диагностики. Создан отдел контроля и диагностики, обеспечивающий эксплуатацию стенда и проведение испытаний, развитие систем стенда и его оборудования, подготовку программ испытаний, обработку получаемых результатов, развитие автоматизированных систем вибрационного и параметрического контроля и т.д. Работой этого отдела обеспечиваются не только нужды предприятия, но и создается будущий задел для использования полученных результатов и разработок эксплуатирующими организациями.

Большие возможности испытательного стенда и его систем, накопленные за время эксплуатации стенда результаты, показали необходимость разработки новой стратегии в использовании стендового оборудования предприятия. В основе этой стратегии можно выделить следующие основные положения:

• на базе систем стенда проведение углубленного анализа технического состояния восстановленных двигателей, их узлов и деталей для выявления дефектных или критических к эксплуатации узлов и деталей;

• выявление "слабых" мест в технологических и производственных процессах цехов предприятий с целью повышения качества и стабильности производства;

• сопровождение восстановленных двигателей индивидуальными техническими данными для использования на компрессорных станциях при эксплуатации по техническому состоянию;

• развитие методов и средств технической диагностики для контроля, диагностики и прогнозирования технического состояния двигателей, как в условиях предприятия, так и в условиях эксплуатирующих организаций;

• преемственность методов и средств ведения контроля и диагностики, использующихся на испытательных стендах и компрессорных станциях;

• использование стендов для обеспечения предприятия дешевой электроэнергией.

В соответствии с этими положениями была определена и основная цель диссертационной работы - разработка методов, алгоритмов и средств контроля и диагностики для проведения стендовых испытаний приводов газоперекачивающих агрегатов (ГПА) в условиях ремонтных предприятий.

Актуальность работы определяется необходимостью снижения затрат на эксплуатацию и ремонт механического оборудования газоперекачивающих агрегатов (ГПА) и, в частности, газотурбинных установок (ГТУ) - сегодня общая тенденция в газовой промышленности. Цель достигается решением следующих основных задач:

• ведение эксплуатации ГТУ по техническому состоянию;

• предотвращение незапланированных простоев агрегатов;

• продление их ресурса;

• раннее обнаружение развивающихся дефектов;

• своевременный вывод ГТУ в ремонт;

• повышение качества ремонта.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

- разработана стратегия проведения стендовых испытаний ГТУ в условиях ремонтных предприятий и предприятий - изготовителей;

- разработана архитектура и модели САУ для проведения стендовых испытаний двухкаскадных ГТУ с силовой турбиной;

- отработана схема взаимодействия и обмена данными между САУ и системами вибрационной и параметрической диагностики;

- разработана архитектура системы вибрационного контроля и диагностики, обеспечивающая проведение как ПСИ, так и длительного мониторинга на КС.

- разработаны методы и алгоритмы вибрационной диагностики технического состояния ГТУ с использованием стационарных и переходных режимов -выбега роторов; разработан метод определения резонансных режимов ГТУ с использованием выбега роторов;

- разработаны математические модели двигателей ДР59Л и ДЖ59Л, позволившие исследовать их вибрационные характеристики и уточнить алгоритмы вибрационной диагностики;

- разработана архитектура системы параметрической диагностики для использования как на стенде, так и в условиях КС, определено содержание параметрического паспорта ГТУ для передачи на КС;

- на базе метода малых отклонений разработаны математическая модель, алгоритмы и программы для расчета параметров эффективности ГТУ в условиях КС

Достоверность результатов работы подтверждается:

- надежной работой САУ, обеспечивающей безопасную работу ГТУ в процессе ПСИ и предотвратившей ряд аварийных ситуаций;

- совпадением результатов вибрационной диагностики дефектов и неисправностей ГТУ с результатами дефектации двигателей;

- использованием известных методов, алгоритмов и стандартов для оценки технического состояния ГТУ методами виброметрирования;

- использованием сертифицированных аппаратных и программных средств, использовавшихся для разработки систем САУ, вибрационной и параметрической диагностики;

- использованием при разработке моделей параметрической диагностики двигателей ДР59Л и ДЖ59Л фундаментальных положений термодинамической теории ГТД.

- использованием апробированного метода малых отклонений для оценки параметров эффективности ГТД.

- результатами специальных расчетов по исследованию точности работы математических моделей и алгоритмов параметрической диагностики.

Теоретическая значимость результатов исследований. В процессе выполнения диссертационной работы решен ряд задач, имеющих и теоретическое значение. В частности:

- разработана общая стратегия проведения стендовых испытаний восстановленных ГТУ с целью их сопровождения в эксплуатации;

- разработана методология создания алгоритмов вибрационной диагностики, основанные на показаниях нескольких датчиков;

- разработан метод определения резонансных режимов газотурбинных двигателей с использованием режимов выбега роторов;

- разработан метод анализа параметров термодинамической эффективности двухкаскадных судовых ГТУ с силовой турбиной на базе данных стендовых испытаний в условиях эксплуатации на КС.

Практическая значимость. Подтверждается опубликованными в печати материалами, техническими отчетами и материалами, регламентирующими проведение ПСИ с использованием разработанных систем. Проведенные при непосредственном участии автора работы позволили:

- создать базовые системы для проведения как ПСИ, так и для обеспечения сопровождения двигателей в эксплуатации и возможного использования в качестве стационарных на КС;

- накопить статистику для ведения порогового контроля вибрационного состояния ГТУ по гармоническим компонентам спектров.

- более точно и быстро проводить оценку технического состояния восстановленного двигателя по вибрационным и термодинамическим характеристикам в процессе ПСИ, находить проблемные узлы и детали;

- на базе данных стендовых испытаний создавать вибрационные и термодинамические паспорта восстановленных двигателей для использования в эксплуатации;

- получать данные для оценки и стабильности производства при восстановлении двигателей, повышения качества ремонта;

- создать надежный и достаточно эффективный набор средств для использования на КС при эксплуатации ГТУ по техническому состоянию.

- вести постоянный и длительный мониторинг технического состояния восстановленных двигателей или технологической машины, используемых для привода электрического генератора с целью обеспечения предприятия дешевой электроэнергий.

Реализация результатов. Разработанные под руководством и непосредственном участии автора стендовые системы САУ, вибрационной и параметрической диагностики в настоящее используются при проведении контрольных и приемо-сдаточных испытаний в ОАО "Газтурбосервис", а также при работе технологической машины для выработки электроэнергии. Под контролем этих систем проведено испытание более 200 двигателей ДР59Л и ДЖ59Л.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на международной и российских научно-технических конференциях, заседаниях НТС и совета директоров ОАО "Газтурбосервис", кафедры конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов МАИ. Опубликованы в трудах конференций и периодической научно-технической литературе. Были представлены на выставке "Двигатели" в 2004 г.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, семи глав, заключения. Она изложена на 183 страницах, содержит 83 рисунка, 24 таблицы и список использованных источников, включающий 61 наименование.

7.4. Выводы по разделу

1. На основе метода малых отклонений предложена математическая модель "Термодинамика - КС" для расчета термодинамических характеристик ГТУ и параметров эффективности в условиях ограниченного набора измеряемых параметров в эксплуатации.

2. Разработаны алгоритмы и программы блока параметрической диагностики "Термодинамика - КС". В качестве дополнительных исходных данных в параметрический паспорт двигателя включаются индивидуальные дроссельные характеристики восстановленного двигателя, получаемые в процессе ПСИ на стенде ОАО "Газтурбосервис", а также матрица коэффициентов взаимного влияния параметров.

3. Максимальная погрешность расчета термодинамических параметров и параметров эффективности двигателя ДР59Л в зависимости от приведенных оборотов РВД по предложенной методике составляет не более 3%. Модель может использоваться при оценке параметров эффективности ГТУ в условиях эксплуатации на КС и ограниченного набора замеров термодинамических параметров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

К основным результатам выполненной диссертационной работы можно отнести следующие:

1. Разработана стратегия проведения стендовых испытаний ГТУ в условиях ремонтных предприятий, обеспечивающая сопровождение двигателей в эксплуатации и включающая в себя:

• на базе систем стенда проведение углубленного анализа технического состояния восстановленных двигателей, их узлов и деталей для выявления дефектных или критических к эксплуатации узлов и деталей;

• сопровождение восстановленных двигателей индивидуальными техническими данными для использования на компрессорных станциях при эксплуатации по техническому состоянию;

• развитие методов и средств технической диагностики для контроля, диагностики и прогнозирования технического состояния двигателей, как в условиях предприятия, так и в условиях эксплуатирующих организаций;

• преемственность методов и средств ведения контроля и диагностики, использующихся на испытательных стендах и компрессорных станциях.

• проведение испытаний двигателей досрочно снятых из эксплуатации и определение причин неисправностей; совместно с эксплуатирующей организацией совершенствование методов обслуживания и проведения регламентных работ;

• помощь в принятии решения о выводе в ремонт или продлении ресурса, по результатам длительного мониторинга.

2. Разработана архитектура, модели, алгоритмы и программное обеспечение адаптивной САУ для проведения стендовых испытаний различных типов двухкаскадных ГТУ с силовой турбиной;

3. Отработана схема взаимодействия и обмена данными между САУ и системами вибрационной и параметрической диагностики;

4. Разработана архитектура системы вибрационного контроля и диагностики, обеспечивающая проведение, как ПСИ, так и длительного мониторинга на КС;

5. Разработаны методы и алгоритмы вибрационной диагностики технического состояния ГТУ с использованием стационарных и переходных режимов - выбега роторов;

6. Разработан метод определения резонансных режимов ГТУ с использованием выбега роторов;

7. Разработаны математические модели двигателей ДР59Л и ДЖ59Л, позволившие исследовать их вибрационные характеристики и уточнить алгоритмы вибрационной диагностики;

8. Разработана архитектура системы параметрической диагностики для использования, как на стенде, так и в условиях КС, определено содержание параметрического паспорта ГТУ для передачи на КС;

9. На базе метода малых отклонений разработаны математическая модель, алгоритмы и программы для расчета параметров эффективности ГТУ в условиях КС;

10. Результаты стендовых испытаний используются предприятием для совершенствования технологических и производственных процессов восстановления газотурбинных двигателей ДР59Л и ДЖ59Л, а также для сопровождения предприятием восстановленных двигателей в эксплуатации.

1. Антонова Е.О., Галимский А.Ф., Чекардовский С.М., Критерии эффективности газотурбинных двигателей на базе системного анализа. Третья международная конференция "Энергодиагностика и CONDITION MONITORING". Сб. трудов. Том 2, Часть 2. Москва, 2001, с.22-27.

2. Арбузов А.П., Зарицкий С.П. Стрельченко А.Н., Чарный Ю.С. Новая система периодического вибромониторинга и вибродиагностики ГПА газотранспортного предприятия. М., ООО "ИРЦ Газпром", XII международная деловая встреча "Диагностика - 2002", с. 105-107.

3. Балицкий Ф.Я. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов, М.: Наука, 1984. 119 стр.

4. Баранов В.Н., Богомолов В.П. и др. Исследование технического состояния оборудования системы теплогазоснабжения.- М.: РААСН, 2001.

5. Бендат Дж., Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа. М.: Мир, 1983. 312 стр.

6. Р.Бикчетай, А.Ванчин. Диагностика технического состояния газотурбинных приводов ГПА. Газотурбинные технологии, ноябрь-декабрь 2003.

7. Вялых И.Л., Михайлов Г.А., Фрейман В.Б., Фрейман КВ. Повышение эффективности параметрической диагностики. В сб. материалов семинара «Диагностика оборудования и трубопроводов КС».- М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2001.

8. ГОСТ Р ИСО 10816-4-99. Контроль состояния машин по результатам измерения вибраций на невращаю щихся частях. Часть 4. Газотурбинные установки. Госстандарт России. Москва. ИПК. Издательство стандартов, 2000.

9. Н.Дегтярев А.А., Колотников М.Е., Кульчихин В.Г., Леонтьев М.К., Некрасов С.С. Вибрационная диагностика технического состояния ГТД в составе газоперекачивающего агрегата. Вестник Московского авиационного института, Т.4. №4.2001, с.12-28.

10. Дегтярев А.А. Вибрационная диагностика газотурбинных двигателей в условиях ограниченной информации. Диссертация на соисканиеученой степени кандидата технических наук. Рукопись. МАИ. 2002. -100 стр.

11. Карасев В.А., Максимов И.П., Сидоренко М.К. Вибрационная диагностика газотурбинных двигателей М., Машиностроение, 1978. -132 с.

12. Козлов Н.А., Сергеев С.В. Система автоматического управления на базе МСКУ-СС-4510: опыт эксплуатации. Газотурбинные технологии. Том 4. 2004 г. с. 24-26.

13. Костюков В.Н. Инвариантные методы вибродиагностики. Третья международная конференция "Энергодиагностика и CONDITION MONITORING". Сб. трудов. Том 2, Часть 2. Москва, 2001 г., с.49-59.

14. Крутелев М.Ю., Михайлов В.В. Обзор причин аварийных съемов двигателей ДР59Л в период с 1979 по 2000 г. Научно-технический сборник №2. Серия Диагностика оборудования и трубопроводов. Газовая промышленность. Москва 2002, с.31-36.

15. Леонтьев М.К. Современные методы расчета динамических характеристик роторных систем. NASTRAN или DYNAMICS? "Двигатель", 2003, №33, с.14-16.

16. Методика М029.002 «Система качества. Вибрационное обследование блока двигателей агрегатов ГПА-10 (01) с двигателями ДР-59Л (Л1), находящихся в эксплуатации» ОАО Кртз "КОНСТАР"

17. В.Немков, В.Шабаев, С.Виноградов, И.Гаранин, М.Леонтьев, О.Потапова. Использование режима выбега роторов для определения резонансных режимов газотурбинных двигателей. "Двигатель", 2004, №6 (36), С.14-17.

18. Ольховский Г.Г. Энергетические газотурбинные установки.- М.: Энергоиздат, 1985.

19. Программа и методика испытаний. Двигатель ДР59Л. 559108000 ПМ ОАО «Газтурбосервис». 2000 г.

20. Райнов Б.М. Опыт эксплуатации вибродиагностической системы "Антес-Каскад" на объектах ООО "Севергазпром" М. ООО "ИРЦ Газпром", НТС "О методическом и программном обеспечении системы диагностического обслуживания ОАО "Газпром". 2001. с. 59-64

21. Сидоренко М.К. Виброметрия газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1973. - 224 стр.

22. Сиротин Н.Н., Коровкин Ю.М. Техническая диагностика авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1979, стр. 272.

23. Система VibroNET 2.1. Руководство пользователя. 2004 г.

24. Система VM 600. Описание. Компания Вибро-Метер. 2001 г.

25. Технологическая инструкция на проведение приемо-сдаточных испытаний ДР59Л на стенде бокса №4 цеха 35 ПИИ ОАО «Газтурбосервис» ТИ ДР59-01,42 стр.

26. Тимашев С.А., Шалин М.Г. Применение метода эмпирической декомпозиции для вибродиагностики машин. Третья международная конференция "Энергодиагностика и CONDITION MONITORING". Сб. трудов. Том 2, Часть 2. Москва, 2001 г., с.3-14.

27. Хронин Д.В. Колебания в двигателях летательных аппаратов. М.: Машиностроение. 1980.296 стр.

28. Чекардовский М.Н. Методология контроля и диагностики энергетического оборудования системы теплогазоснабжения.- Санкт-Петербург: ООО «Недра», 2001

29. Черкез А.Е. Инженерные расчеты газотурбинных двигателей методом малых отклонений.- М.: Машиностроение, 1975.

30. Шабаев В.М., Кульчихин В.Г., Гаранин И.В. Леонтьев М.К. Испытания и диагностика газотурбинных двигателей на стенде ОАО "Газтурбосервис". Газотурбинные технологии. Том 4.2004 г. С. 2-7.

31. Шабаев В., Немков В., Старых Л., Уласевич М. Авиационные стандарты качества при ремонте конвертированных судовых двигателей. Газотурбинные технологии. Том. 3.2004 г. стр.

32. Ширман А., Соловьев А. Практическая вибродиагностика и мониторинг состояния механического оборудования. Москва 1996.480 с.

33. Downham, Е., 1976, "Vibration in Rotating Machinery: Malfunction Diagnosis Art & Science," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers - Vibrations in Rotating Machinery, pp. 1-6.

34. Guttlich, E.H., 1988, "A Method for Overall Condition Monitoring by Controlling the Efficiency and Vibration Level of Rotating Machinery," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Vibrations in Rotating Machinery, pp. 445-447.

35. Smith, D.M., 1980, "Recognition of the Causes of Rotor Vibration in Turbomachinery," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Vibrations in Rotating Machinery, pp. 1-4.

36. Stewart, R.M., 1976, "Vibration Analysis as an Aid to the Detection and Diagnosis of Faults in Rotating Machinery," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Vibrations in Rotating Machinery, pp. 223-229.

37. Vibration Monitoring of Compressor Station Gas Turbines\ Application Notes, Brul&Kjer, Denmark

38. White E.R., Greaves R.W. An Overview of Airborne Vibration Monitoring Systems. SAE Technical Paper Series, 871731, Long Beach, Cal. USA, 1987, pp.10