Широкое распространение газотурбинных установок (ГТУ) и двигателей в основных отраслях промышленности и на транспорте приводит к необходимости поддержания высокого уровня их технического состояния, непрерывно деградирующего вследствие различных эксплуатационных условий. Наиболее часто встречаемой причиной отказов оборудования и его досрочного вывода из эксплуатации является эрозионный износ (до 45% всех случаев по статистическим данным NASA (2013)). Попадание частиц пыли при работе или ее накопление во внутренних полостях неработающего двигателя приводит к серьезному ухудшению технического состояния лопаточного аппарата осевого компрессора (ОК) при гораздо более меньшем количестве летных часов, что может проявляться в изменении аэродинамики проточной части (возникновение срывных и помпажных явлений, снижение КПД и др.), нарушении прочности лопаточного аппарата (повышение уровня вибрации, механическое разрушение лопаток) и снижении топливной эффективности всего двигателя. Все это приводит к возрастанию стоимости обслуживания и ремонта двигателей или невозможности их дальнейшей эксплуатации.
В рамках настоящего проекта предлагается разработка специальной прогностической модели, позволяющей по отклонению рабочих характеристик газотурбинного двигателя (нережимное изменение частот вращения, снижение степени сжатия и мощности, повышение температуры за компрессором или перед турбиной и др.) оценить техническое состояние лопаточного аппарата осевого компрессора. Подобный подход обеспечит возможность оценки текущего состояния двигателя без вывода его из эксплуатации, определит необходимость и приблизительный объем ремонтных работ при текущем состоянии, что в перспективе позволит перейти к реализации стратегии ремонта по техническому состоянию и переходу к использованию цифровых двойников в промышленности.
В научном проекте планируется проведение численных исследований эрозии лопаточного аппарата осевого компрессора с учетом различной глубины износа с целью оценки деградации рабочих характеристик осевого компрессора ГТУ и основных параметров, которые измеряются в реальной эксплуатации. Результаты выполненных численных расчетов будут являться набором входных признаков, а соответствующие им данные о геометрии дефектных лопаток и степени деградации интегральных характеристик – целевыми функциями при создании прогностический модели на базе методов машинного обучения. Конечным результатом проекта является модель прогноза степени эрозии лопаточного аппарата ОК по текущим параметрам в эксплуатации с возможностью оценки изменения степени газодинамической устойчивости, эффективности и напорности установки. В предлагаемою модель сразу вкладывается возможность дальнейшего использования реальных эксплуатационных данных с целью дообучения.
Актуальность предлагаемого проекта связана с необходимостью развития передовых отечественных технологий в области производства, эксплуатации и обслуживания газотурбинного оборудования, что является необходимым условием для обеспечения технологической независимости нашей страны, а также с повышением уровня и конкурентоспособности отечественных технологий на мировом рынке и интересом в области импортозамещения.
Научная новизна состоит в искомых взаимосвязях между степенью и характером износа лопаточного аппарата и эксплуатационными параметрами ГТУ, которые лягут в основу разрабатываемой модели.
Ожидаемые результаты
В процессе выполнения проекта планируется достижение следующих основных результатов:
1. Математические зависимости, описывающие взаимосвязь между геометрической формой пера лопаток и степенью эрозионного износа, на базе разработанной собственной топологии лопаток ОК. Полученные зависимости могут использоваться при формировании трехмерных моделей эродированных лопаток ОК ГТУ. Аналогичный подход может применяться при описании и анализе других дефектов лопаток турбомашин различного назначения.
2. Результаты численного моделирования. Научная значимость данных результатов будет заключаться в выявлении закономерностей изменения характеристик осевого компрессора при изменении геометрии его проточной части вследствие эрозии различной степени (5 – 90 % от износа хорды лопатки, где 100 % принимается предельным износом по данным из руководства по технической эксплуатации двигателей и установок), а не только предельной (90 – 100 %), что реализовано в работах других авторов. Практическое использование будет представлять из себя предложение конкретных трендов изменения различных характеристик компрессора при изменении определенных геометрических величин вследствие эрозии, что необходимо при разработке прогностических систем, а также при проведении оценки изменений газодинамических параметров вследствие эрозии вновь проектируемых установок.
3. Результаты применения различных ансамблей моделей машинного обучения: их настроек и точности в рамках решаемой задачи прогнозирования износа лопаток. Значимость результатов будет определяться расширением области применения методов машинного обучения и технологии искусственного интеллекта при решении задач диагностики развития дефектов, деградации технического состояния газотурбинного оборудования.
4. Математическая модель прогнозирования влияния эрозионного износа лопаточного аппарата на характеристики осевого компрессора ГТУ. Настоящая модель позволит по входным граничным условиям (сведения о положении рабочей точки на характеристике работы компрессора) определить степень эрозии лопаточного аппарата и может использоваться эксплуатирующими организациями для отслеживания и предсказания развития дефектов лопаточного аппарата в составе систем управления и технической диагностики газотурбинного оборудования, что в перспективе должно способствовать переходу от эксплуатации по наработке к эксплуатации по техническому состоянию, исключить (предсказать) некоторые случаи аварийных остановов оборудования, а также снизить возможные затраты, связанные с проведением последующих восстановительных работ. Также разрабатываемая модель может быть интегрирована в современные интеллектуальные платформы анализа данных.
