Методика количественной оценки уровня опасности функционирования воздушного тракта авиационного двигателя газоперекачивающего агрегата Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 629.735.45:681.5 Улыбин С.В.

МЕТОДИКА КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ УРОВНЯ ОПАСНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУШНОГО ТРАКТА АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА

Рассматриваются основные причины возникновения нештатных ситуаций при функционировании воздушного тракта авиационного двигателя газоперекачивающего агрегата. Раскрывается методика построения информативных функций опасности, позволяющих количественно определить текущий уровень опасности функционирования воздушного тракта в нештатных ситуациях.

Ключевые слова: газоперекачивающий агрегат, авиационный двигатель, воздушный тракт, нештатная ситуация, причины, уровень опасности, количественная оценка, информативные функции.

Эффективность применения сложных автоматизированных технических объектов неразрывно связана с проблемой контроля уровня безопасности их функционирования, успешное решение которой является определяющим фактором в различных отраслях промышленности [1, 2].

В газодобывающей промышленности широко используются компрессорные станции, газоперекачивающие агрегаты (ГПА) которых построены на базе авиационных двигателей. Безопасность функционирования газоперекачивающего агрегата в значительной мере определяется состоянием входного воздушного тракта авиационного двигателя, включающего воздухоочистительное устройство (ВОУ) с комбинированной системой фильтрации (КСФ) [3]. При этом в условиях реальной эксплуатации ГПА при температуре окружающего воздуха ниже +5°С и в условиях высокой влажности высока вероятность обледенения КСФ и повышения перепада давления воздуха на ней, а также обледенения входного направляющего аппарата (ВНА) компрессора авиационного двигателя, что может привести к возникновению опасных и аварийных ситуаций. КСФ подвержена запылению, в результате чего также повышается перепад давления воздуха на ней, что может привести к возникновению опасной ситуации [4].

Как показано в работе [3], основными причинами возникновения нештатных ситуаций при функционировании воздушного тракта авиационного двигателя газоперекачивающего агрегата являются:

Низкое давление воздуха на входе авиационного двигателя.

Попадание на вход авиационного двигателя неочищенного воздуха.

Обледенение ВНА компрессора авиационного двигателя.

Для оценки уровня опасности возникающих нештатных ситуаций H построим информативные функции опасности ФН с учетом значимости влияющих на их возникновение факторов [4].

Используя метод обобщенного критерия [1], все контролируемые параметры J , влияющие на уровень опасности функционирования элементов воздушного тракта, приведем к сопоставляемому безразмерному (нормализованному) виду Ji

Jt = 1, при Ji e [ aiH; aiB ]

Ji = Ji 4 _ (1)

aiB У = 0, при Ji & [aiH; aiB ]

где aiB и aiH - максимальные (верхние) и минимальные (нижние) значения контролируемого па

раметра; Jt - текущее значение контролируемого параметра.

В каждой нештатной ситуации H все нормализованные критерии Ji частных критериев «свернем» в одну информативную функцию опасности

ФН

оп

основе

m ___

'LaiJ i

i=1

взвешенной суммы в которой отно-

сительная важность нормализованных частных критериев Ji учитывается при помощи положительных чисел at , называемых коэффициентами важности.

Нештатная ситуация H - низкое давление воздуха на входе авиационного двигателя. Основной задачей входного воздушного тракта (ВВТ) является подача в авиационный двигатель (АД) чистого воздуха с избыточным давлением в камере всасывания Ресас > —1600 Па (влияющий параметр Ji ) . При невыполнении данного условия для предотвращения аварийной ситуации должен выполняться вынужденный останов авиационного двигателя. Избыточное давление в камере всасывания, соответствующее аварийной ситуации определяется неравенством Рвсас <—1600 Па. Нормализованный критерий Ji в этом случае будет иметь вид

Ji = J = ^Ъ_ , (2)

аи —1600

где J1 измеряется в диапазоне от -2500 до 0 Па.

Информативная функция опасности ФН по низкому давлению воздуха на входе АД зависит только

от одного влияющего параметра, коэффициент важности которого «1 = 1 .

фН=«1 j 1 =

J1

—1600

(3)

Влияющий параметр J зависит от ряда других параметров. Так, давление в камере всасывания может снизиться до аварийного значения и при засорении фильтров ВОУ (параметр J - перепад давления воздуха на фильтрах Ар>350 Па) и при неоткрытии байпасного клапана (БК) ВОУ при засорении фильтров (параметр J ).

Получим нормализованные критерии J2 по перепаду давления на фильтрах и J3 по неоткрытию БК при засорении фильтров

— J J — IJ 3 = 1, при засорении фильтров БК открыт;

J 2= — =---; J з =<{ _ (4)

а2В 350 Jз = 0, при засорении фильтров БК закрыт.

Неоткрытие БК при засорении фильтров ВОУ оказывает большее влияние на развитие нештатной ситуации H , чем засорение фильтров ВОУ. Связано это с тем, что в тех случаях, когда засорение фильтров ВОУ обусловлено обледенением, то открытие БК на короткое время позволяет справиться с обледенением. В случаях неоткрытия БК при засорении фильтров необходим вынужденный останов АД, так как резко возрастает вероятность появления нештатной ситуации Щ . Поэтому коэффициенты влияния параметров J и J примем равными а2 = 0,3 , а3 = 0,7 .

Тогда частная информативная функция ФЩ1(^2, J) достижения критерием Ji опасных значений из-за влияния параметров J и J будет равна

ФУЛ, J3) = «2 J 2 + О, J 3 = 0,3 J + 0,7J3 (5)

Причинами засорения фильтров ВОУ могут являться забивание их пылью, обледенение или их совместное действие. Для определения фактора, повлиявшего на засорение фильтров ВОУ, предлагается ввести 3 дополнительных параметра:

а) «Быстрое» обледенение фильтров ВОУ - параметр J , характеризующийся тем, что рост перепада давления на фильтрах за текущий час более чем в K = 5 раз превышает средний рост перепада давления на фильтрах за 6 предыдущих часов при температуре окружающего воздуха Токр <2°C . Оцен-

ка основана на том, что при Токр <2°C скорость засорения фильтров при отсутствии обледенения зависит только от запыленности воздуха, а в случае начинающегося обледенения скорость засорения может резко возрастать. Выбор коэффициента К=5 обусловлен тем, что при меньшем его значении может иметь место ошибочный сигнал, например при выполнении на компрессорной станции каких-либо работ, сопровождающихся высокой запыленностью, может кратковременно повыситься уровень запыленности. Нормализованный критерий J4 будет иметь вид:

J 4 =

- (ДР -ДА,)

J4 = 1, при (ДРф -ДРф1)>5( ф1б ф7) и Токр <2°C

- (ДА, -ДА,)

J4 = 0, при (ДРф-ДРф1)<5( ф1б ф7) или Токр >2°C

(6)

где ДРф - текущий перепад, АР^ - перепад давления один час назад, ДРф7 - перепад давления 7 часов назад.

б) «Медленное» обледенение фильтров ВОУ - параметр J5 , когда рост перепада давления на

фильтрах за последние 12 часов превышает 80 Па при температуре окружающего воздуха Т < 2° C .

Данная оценка необходима для фиксации факта обледенения фильтров ВОУ, пропущенного при контроле «быстрого» обледенения. Контроль «медленного» обледенения растянут на 12 часов с целью недопущения срабатывания противообледенительной системы (ПОС) при временном повышении запыленности на компрессорной станции. Поэтому для критерия J 5 можно записать:

_ | J5 = 1, при (ДРф - ДРф!,) > 80 и То,р < 2°c

[J5 = ° при (ДРф -ДРф12) < 80 или Токр > 2°С

где ДРф — текущий перепад давления на фильтрах ВОУ; Д^12 — значение перепада давления на фильтрах ВОУ 12 часов назад.

в) Засорение фильтров ВОУ при ДРф >350Па по причине забивания пылью, при отсутствии обледенения - параметр J6 .

Нормализованный критерий J6 будет определяться следующими соотношениями: -J J 6 = 1, при (ДРф -ДРфи) > 80 и То,р < 2° с

[J6 = 0, при (ДРф -ДРф12) < 80 или Токр > 2°C ^ ''

Предлагается присвоить критериям J4 , J5 , J6 равные коэффициенты влияния a4=a5=a6 = 1 , так как засорение фильтров ВОУ может возникнуть при наличии любого из данных критериев независимо от других.

Информативная функция опасности по критерию J2 будет равна ФЩ2=&4J4 +«5J5 +«6J6 = J4 + J5 + J6 . (9)

Для того, чтобы не допустить появления ситуации H и обеспечить безопасность и эффективность эксплуатации ГПА, необходимо средствами управления парировать факторы, которые могут привести к возникновению ситуации H . Поэтому необходимо сформировать интегральную информативную функцию опасности приближения нормированного критерия к значению J1 =1 с учетом всех влияющих факторов, т.е.

ФЩ =«(a2Ji +0J3) = «(a2(a4J4 +0J5 +«J6) + 0J3) . (10)

Подставив численные значения a , получим ФЩ = 0,3(J4 + J5 + J6) + 0,7J3 . (11)

Полученную интегральную информативную функцию опасности (11) удобно использовать при построении алгоритмов управления функционированием ВОУ. Например, сумма элементов в информативной функции опасности =aJ\ +a5Js + a6Je , при a{=a2=a3 = 1 соответствует логическому элементу

«ИЛИ», при ax+a2+a3 = 1 - логическому элементу «И».

Используя рассмотренный подход, аналогично могут быть построены информативные функции возникновения ситуаций Н2 , Иъ , и проведено нормирование параметров, влияющих на эти ситуации.

В частности, информативная функция опасности возникновения ситуации H будет определяться соотношением

Ф0п =a2J2 +a7J7 = 0,3^^ + 0,7J7 , (12)

где параметр J7 - открытый БК при отсутствии засорения

- IJ 7=1, при открытом БК и J г<\

J 7 = \- - (13)

J = 0, при закрытом БК и J2=1

Информативная функция опасности возникновения ситуации Нъ

будет иметь вид

Ф^ =aJ8 +a9J9 = 0,7J8 + 0,3J9 , (14)

где влияющий параметр J8 - визуально обнаруженное обледенение ВНА авиационного двигателя;

параметр J9 - наличие высокой вероятности обледенения ВНА. Нормализованные критерии J8 и J9 будут иметь вид

J 8 =

J 9 =

J 8 = 1, J 8 = 0,

J 9 = 1, J 9 = 0,

при визуально обнаруженном обледенении; при отсутствии видимого обледенения.

при Гокр е [~10°C; +5°C] и ^ > 80%

при Гокр g[-10°C; +5°C] или 80%

где ¥ - влажность воздуха на входе ВОУ.

Таким образом, рассмотренная методика построения информативных функций опасности функционирования воздушного тракта авиационного двигателя в типовых нештатных ситуациях, позволяет проводить количественную оценку текущего уровня опасности, принимать своевременные решения о необходимости замены фильтров или останова авиационного двигателя.

ЛИТЕРАТУРА

1. Майоров А.В., Москатов Г.Н., Шибанов Г.П. Безопасность функционирования автоматизированных объектов. М.: Машиностроение, 1988. 264 с.

2. Солдаткин В.М. Методы и средства построения бортовых информационно-управляющих систем обеспечения безопасности полета. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2004. 350 с.

3. Михайлов Е.И., Резник В.А., Кринский А.А., Комплексные воздухоочистительные устройства для энергетических установок. - Л.: Машиностроение, 1978. 144 с.

4. Улыбин С.В. Методика контроля состояния воздухоочистительного устройства газоперекачива-

ющего агрегата по критерию безопасности / Современные технологии, материалы, оборудование и ускоренное восстановление квалифицированного кадрового потенциала - ключевые звенья в возрождении отечественного авиа- и ракетостроения: Сборник докладов международной научно-

практической конференции. T.IV. Казань, 14-16 августа 2012 года. - Казань: Изд-во "Вертолет", 2012.- 608 c. c.144-150.