CC BY
5
INFORMATION AND CONTROL SYSTEM OF A HIGH-VOLTAGE POWER SOURCE FOR ION-PLASMA CLEANING OF GAS TURBINE ENGINE PARTS
Bakaev O.V. (Ukraine)
Bakaev Oleg Viktorovich - Director, Chief Designer, NPP FOTON LLC, Senior Lecturer,
DEPARTMENTS OF RADIOPHYSICS AND SPECIALIZED COMPUTER SYSTEMS, DONBASS STATE TECHNICAL INSTITUTE, ALCHEVSK, UKRAINE
Abstract: the article proposes an information and control system that controls a high-voltage power source, which is used for ion-plasma cleaning of gas turbine engine parts. The information and control system is capable of providing trouble-free autonomous operation of a high-voltage power source under difficult conditions of dynamic loading of plasma processes for all technological modes during ion-plasma cleaning of parts.
Keywords: information and control system, high-voltage power supply, dynamic load, technological modes during ionic cleaning of parts.
ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ВЫСОКОВОЛЬТНЫМ ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯ ДЛЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОЧИСТКИ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Бакаев О.В. (Украина)
Бакаев Олег Викторович - директор, главный конструктор, ООО НПП «Фотон», старший преподаватель, кафедры радиофизики и специализированных компьютерных систем, Донбасский государственный технический институт, г. Алчевск, Украина
Аннотация: в статье предложена информационно-управляющая система, управляющая высоковольтным источником питания, который используется для ионно-плазменной очистки деталей газотурбинных двигателей. Информационно-управляющая система способна обеспечить безаварийную автономную работу высоковольтного источника питания в сложных условиях динамической нагрузки плазменных процессов для всех технологических режимов при ионно-плазменной очистке деталей. Ключевые слова: информационно-управляющая система, высоковольтный источник питания, динамическая нагрузка, технологические режимы при ионной очистке деталей.
Практически ко всем изделиям специального назначения, которые подвергаются жестким условиям эксплуатации в различных средах и устройствах, предъявляют специфические требования к своей поверхности, особенно это относится к изделиям авиакосмической техники, работающих в экстремальных условиях.
В настоящее время для модификации поверхности ответственных деталей, в том числе и для деталей газотурбинных двигателей (ГТД), применяют различные технологические процессы. Как показывает анализ, наиболее эффективными технологиями обработки поверхности деталей является вакуумное ионно-плазменное напыление [1, 2], которое имеет широкий выбор наносимых покрытий с заданными характеристиками и возможностью автоматизации всех процессов.
Однако, чтобы обеспечить качественное покрытие необходимо подготовить поверхности деталей перед напылением. Поэтому необходимо в технологический процесс нанесения покрытий включить операцию, которая бы позволила в вакуумной камере непосредственно перед напылением качественно очистить деталь и активировать ее поверхность.
Как правило, для этих целей используют ионно-плазменную очистку и другие специфичные технологические процессы в глубоком вакууме [3].
Ионную очистку осуществляют методами с использованием специализированных высоковольтных источников питания (ВИП), которые способны работать в сложных условиях динамической нагрузки плазменных процессов [4]. Управление этими ВИП нужно осуществлять с использованием информационных технологий [5], поскольку человеческий фактор может привести к серьезным экономическим потерям. Это связано, прежде всего, с тем, что все процессы, протекающие при ионно-плазменной очистке, в том числе темп нарастания и сброса выходного напряжения, должен изменяться в зависимости от режима технологического процесса, качества поверхности изделий, интенсивности возникновения микродуговых процессов и прочих явлений, связанных с тестированием
работоспособности основных функциональных узлов ВИП и систем защиты.
Для управления динамическими режимами всех функциональных узлов источника питания ВИП-2-15, предназначенного для ионно-плазменной очистки деталей ГТД, была разработана многомерная информационно-управляющая система (ИУС), работающая в режиме реального времени.
При разработке ИУС учитывались не только множество управляемых и контролируемых параметров, но и влияние возмущающих факторов, возникающих при различных режимах работы ВИПа и различного рода электромагнитных помех, которые существенно снижают вероятность достижения цели управления.
Структурная схема разработанной ИУС ВИП-2-15 приведена на рис. 1.
СФ - сетевой фильтр; ФДТ - фазовые датчики тока; РВ - регулируемый выпрямитель; ПСУ РВ - подсистема управления регулируемым выпрямителем; СУК ИПН - подсистема управления комплексом ионно-плазменного напыления технологом; БС1 - блок согласования с системой управления ионно-плазменным напылением; ДНН -датчик напряжения низковольтный; ДТ1 - датчик тока 1; ПН - преобразователь напряжения высокочастотный; ПСУ ПН - подсистема управления высокочастотным преобразователем напряжения; ДНВ - датчик напряжения высоковольтный; ВБК1, ВБК2 - высоковольтные быстродействующие ключи; ПСУ ВБК - подсистема управления высоковольтными быстродействующими ключами ВБК1 и ВБК2; КИПН - камера ионно-плазменного напыления;
ПС СИУ - подсистема сбора информации и общего управления; ПСМУ ВИП-2-15 - подсистема местного управления и отображения текущей информации; ПСО ВИП-2-15 - подсистема охлаждения силовых модулей;
ПСУУ ВИП-2-15 - подсистема удаленного управления, сбора текущей информации и ее визуализации
Рис. 1. Структурная схема ИУС высоковольтным источником питания ВИП-2-15 ИУС ВИП-2-15 состоит из семи подсистем:
1. ПСУ РВ - подсистема управления регулируемым выпрямителем;
2. ПСУ ПН - подсистема управления высокочастотным преобразователем напряжения;
3. ПСУ ВБК - подсистема управления высоковольтными быстродействующими ключами ВБК1 и ВБК2;
4. ПСО - подсистема охлаждения силовых модулей;
5. ПСМУ ВИП-2-15 - подсистема местного управления и отображения текущей информации;
6. ПСУУ ВИП-2-15 - подсистема удаленного управления, сбора текущей информации и ее визуализации;
7. СУК ИПН - подсистема управления комплексом ионно-плазменного напыления технологом.
Все подсистемы работают автономно в режиме реального времени, обрабатывая входную информацию с датчиков по своим алгоритмам, формируя выходные сигналы для соответствующих электронных устройств.
Обмен информацией между подсистемами осуществляется через подсистему сбора информации и общего управления ПС СИУ, которая, в свою очередь, получает от технолога или оператора управляющие сигналы для проведения соответствующего технологического режима.
Технолог может задавать общий режим работы комплексом ионно-плазменного напыления, в том числе режим работы системы ионно-плазменной очистки деталей ГТД через подсистему управления
СУК ИПН. Режим работы выбирается в зависимости от типа детали ГТД, конструктивных особенностей и материала, из которого они изготовлены.
Оператор через подсистему удаленного управления ПСУУ, которая осуществляет сбор текущей информации и ее визуализацию, может корректировать информацию в базе данных для соответствующих режимов ионно-плазменной очистки деталей ГТД, в зависимости от их типа, конструктивных особенностей и материала, а также в ручном режиме оперативно менять текущие технологические параметры процесса.
Подсистема ПСУУ формирует также базу данных для различных режимов работы системы ионно-пламенной очистки деталей ГТД. Анализ баз данных позволяет выбрать наиболее оптимальные режимы работы при ионно-пламенной очистке деталей ГТД с минимальным количеством микродуговых явлений.
В ионно-плазменных технологических процессах подобное явление, как образование микродуговых привязок, оставляющих на обрабатываемой поверхности эрозионный след, является одним из основных недостатков, снижающих качество обработки деталей ГТД.
С целью предотвращения этого отрицательного явления как образование микродуговых привязок, для ВИП-2-15 используется специализированное электронное устройство с высоковольтными ключами ВБК1, ВБК2 и подсистема управления ПСУ ВБК. Весь этот электронный комплекс позволяет осуществлять контроль за зарождением микродуговых привязок и осуществлять гашение их за время не более 1,0 мкс.
Данное устройство существенно повышает качество обработки изделий в ионно-плазменных технологических процессах.
На рис. 2 приведен типовой режим изменения выходного напряжения ВИП-2-15 от времени для технологического процесса ионной очистки деталей газотурбинных двигателей, где также отображены режимы контроля зарождения микродуговых привязок и их гашение. Кроме этого на графике отражены режимы скорости подъема напряжения до и после гашения микродуговых привязок.
Подсистема местного управления и отображения текущей информации ПСМУ режимов ионно-пламенной очистки деталей ГТД установлена на передней двери ВИП-2-15 рис. 3.
1ДВ) 2000
Темп подъема напряжения регул, от 5 В/с до 10 В/с
1600
1200
800
400
0
0 20 40
220 240
380 400 420
1180 1200 Ис)
Рис. 2. Типовой режим выходного напряжения ВИП-2-15 от времени в процессе ионной очистки деталей
газотурбинных двигателей
а б
а - общий вид функциональных узлов ВИП, при открытой двери; б - общий вид с системами ручного управления
и подключенными коммуникациями
Рис. 3. Общий вид высоковольтного источника питания ВИП-2-15 для ионной очистки деталей ГТД
Практическое применение информационно-управляющих систем, осуществляющих оптимальное управление сложными технологическими объектами и их внедрение в производство, в частности, высоковольтный источник питания с информационно-управляющей системой ВИП-2-15 для ионно-плазменной и очистки деталей ГТД, позволяет обеспечить требуемое качество выпускаемой продукции, минимизировать материальные затраты, сократить уровень загрязнения окружающей среды.
Список литературы /References
1. Мубояджян С.А., Александров Д.А., Горлов Д.С., Егорова Л.П., Булавинцева Е.Е. Защитные и упрочняющие ионно-плазменные покрытия для лопаток и других ответственных деталей компрессора ГТД // Авиационные материалы и технологии, 2012. № S. С. 71-80.
2. Каблов Е.Н., Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Помелов Я.А. Ионно-плазменные защитные покрытия для лопаток газотурбинных двигателей // Конверсия в машиностроении, 1999. № 2. С. 4247.
3. Современные методы финишной очистки интенсивными потоками энергии: монография / О.В. Шипуль, Е.В. Цегельник, А.О. Гарин и др. Х.: Нац. аэрокосм. ун-т им. Н.Е. Жуковского «Харьк. авиац. ин-т», 2013. 189 с.
4. Бакаев О.В. Высоковольтный источником питания для ионной очистки лопаток газотурбинных двигателей // Сборник научных работ 44 й Международной научной конференции Евразийского Научного Объединения (г. Москва, октябрь 2018). Москва: ЕНО, 2018. С. 44-46.
5. Грибков А.Н. Информационно-управляющие системы многомерными технологическими объектами: теория и практика: монография / А.Н. Грибков, Д.Ю. Муромцев. Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2016. 164 с.
