CC BY
23
УДК 681.5
Г. С. Ранченко ОАО «Элемент», Украина
НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ОАО «ЭЛЕМЕНТ» ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ НАПРАВЛЕНИЯ ГОЛОВНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ
Сформулированы основные проблемы создания электронных устройств контроля и управления с высокой степенью интеллектуализации, с функцией анализа изменения параметров, приобретающих особое значение в связи с переходом к эксплуатации ГТД по техническому состоянию. Освещен опыт решения этих проблем в ОАО «Элемент» как головной организации Министерства промышленной политики Украины по научно-техническому направлению «Электронные системы измерения, контроля параметров и управления авиационными двигателями». Показана организационно-методическая деятельность ОАО «Элемент» по реализации комплексных подходов к решению проблем совершенствования систем измерения, контроля параметров и управления авиационными двигателями.
Эксплуатация по техническому состоянию, математическое моделирование, интеллектуальные устройства, встроенная система контроля, трендовый анализ, удаленный мониторинг.
Введение
Современное состояние проблем создания и эксплуатации газотурбинных двигателей (ГТД) авиационного и общепромышленного назначения и силовых установок на их основе характеризуется широким применением передовых технических решений и информационных технологий на всех этапах жизненного цикла ГТД и объектов энергетики. Такие объекты энергетики в XXI веке отличают качественно новые признаки в виде организации сложных взаимосвязанных материальных, энергетических и информационных потоков высокого уровня напряженности в условиях жестких требований относительно эффективности и экологической безопасности окружающей среды. Опыт многолетнего совершенствования датчиков, информационно-измерительных и управляющих систем ответственного назначения в ОАО «Элемент» — головной организации Министерства промышленной политики Украины по направлению «Электронные системы измерения, контроля параметров и управления авиационными двигателями», обеспечил условия и предпосылки для создания нового поколения таких систем высокого технического и технологического уровня.
Формулирование проблемы
При создании электронных устройств контроля и управления для работы в составе двигателя, выполняющих наряду с оперативным конт-
ролем параметров и управлением также и функции оценки и прогнозирования состояния агрегатов и систем (ЭСУ профиля РАОБС), необходимо последовательно реализовать ряд этапов, а именно:
— обосновать функции, выполняемые ЭСУ, определить иерархию подсистем, обосновать требования к качеству управления координатами системы на каждом иерархическом уровне, к точности измерений и быстродействию исполнительных устройств, оптимизировать распределение функций между гидропневмомеханической и электронной частями системы, учитывая массо-габаритные характеристики, а также параметры надежности и живучести;
— разработать алгоритмы управления и контроля состояния объекта, наиболее точно соответствующие принятой математической модели (ММ) объекта и решаемым задачам оперативного управления и прогнозирования состояния;
— разработать электронные устройства контроля и управления, представляющие собой аппаратно-программную реализацию заданных алгоритмов и обеспечивающие заданный уровень надежности (в том числе метрологическую) в жестких условиях эксплуатации;
— разработать и изготовить испытательные стенды информационного моделирования, имитирующие режимы работы объекта и его систем и позволяющие выполнить синтез алгоритмов, провести предварительную проверку и отладку созданных средств контроля и управления.
© Г.С. Ранченко, 2008
ШЯЫ1727-0219 Вестник двигателестроения № 3/2008
- 37 -
— разработать максимально адекватные математические модели (ММ) объекта контроля и управления, отражающие изменение характеристик объекта в процессе эксплуатации.
Решение проблемы
Основными научными - техническими направлениями деятельности ОАО «Элемент» как головной организации являются: создание датчиков и измерительных преобразователей, электронных систем измерения параметров и управления режимами ГТД, программно-технических комплексов для их испытаний, методов и программно-алгоритмических средств оценки технического состояния и диагностики ГТД.
В круг деятельности и интересов научной организации входят также работы по созданию метеопреобразователей и метеостанций общепромышленного и специального назначения, разработка информационно-измерительных и управляющих систем для ветроэнергетических станций.
Исторически первым направлением деятельности коллектива является разработка датчиков и преобразователей давления. Создание датчиков и систем, в том числе, интеллектуальных является центральной проблемой информационно-измерительного и метрологического обеспечения испытаний и эксплуатации ГТД.
Методологической основой для создания новых изделий ответственного применения является разработка концепций жизненного цикла приборов и систем, включающая такие основные этапы: детальное исследование объекта (процесса), построения его корректных и верифицированных на базах данных экспериментальных измерений математических моделей, создание и последующее сопровождение изделий в процессе эксплуатации до выработки ресурса.
ОАО «Элемент» в настоящее время под руководством ЦИАМ разрабатывает концепцию построения интеллектуальных датчиков для авиационного двигателестроения. Эта работа выполняется по решению научно-технического совещания «Датчики и системы измерения давления для САУ авиадвигателей и бортовых систем самолетов», прошедшего в АССАД в 2007 г.
Новым направлением в области создания 8МЛЯТ-датчиков для ГТД является разработка изделия П330, которое является первым отечественным (и в СНГ) устройством измерения пульсаций давления в камере сгорания, обеспечивающим непрерывный контроль за процессом сгорания топлива и позволяющим управлять этим процессом в направлении повышения экономичности и минимизации вредных выбросов N0^ Датчик испытан в НПО «Зоря-Машпроект» и планируется к установке на профильной про-
дукции этого предприятия. Начатьы работы по внедрению изделия П330 в изделия ОАО «Мотор Сич».
За последние 10 лет разработаны и внедрены:
— датчики избыточного и дифференциального давления П319 с выходом 4...20 мА и П419 с цифровым выходом для комплектации ГТД газоперекачивающих станций и моторных стендов, которые включены в Госреестр СИТ Украины;
— четырехканальная система измерения давления (Рвх, Рк, Рпт, Рот) СИД-4 для комплектации бортовой САУ двигателя Д-27. Опытные образцы до настоящего времени обеспечивают полеты Ан-70;
— двухканальная система измерения давления (Рвх, Рк,) СИД-3 (кат.Б) и ее модификация СИД-3-148 для комплектации бортовых ЭСУ двигателей Д-436Т1 и Д-436-148, обеспечивающие погрешность в диапазоне от минус 40 до плюс 85 °С не более 0,15% и выполняющие функции регистрации помпажа. Образцы системы СИД-3-148 прошли сертификационные испытания в составе самолетов Ан-148-100 № 01-01 и № 01-02 в течение более 600 полетов.
Относительно новым является направление работ по созданию современного класса электронных систем управления (ЭСУ), применительно к авиационному приборостроению. Такими системами являются ЭСУ типа FADEC (Full Authority Digital Engine Control), или системы с полной ответственностью, являющиеся распределенными многопроцессорными системами, интегрирующими в своем составе подсистемы управления режимами ГТД и силовой установки в целом, контроля параметров и прогнозной диаг-ностики.Первой отечественной системой такого класса является разработанный и созданный в ОАО «Элемент» регулятор двигателя цифровой РДЦ-450 турбовального двигателя АИ-450 для силовой установки вертолетов Ка-226, Ми-2м.
Следует отметить, что задача регулирования турбовального двигателя является одной из самых сложных задач регулирования ГТД ввиду широкого диапазона изменения нагрузочного момента. Для силовой установки в целом сложность указанной задачи усугубляется необходимостью синхронизации режимов двух двигателей, работающих на одну нагрузку, необходимостью учета динамических упругих свойств трансмиссии и винтовой группы, существенным влиянием загрузки винтов на режимные параметры двигателя. Тем не менее, поставленные задачи были успешно решены, созданная ЭСУ типа FADEC находится на уровне лучших в СНГ образцов по своим алгоритмическим и программным решениям. РДЦ-450 обеспечивает полный цикл ис-
пытаний перспективных модификаций ГТД АИ-450 и в настоящее время планируются летные испытания. Другим примером решения сложных задач по созданию современных ЭСУ ГТД является разработка бортового регулятора температуры БРТ для двигателей АИ-25 ТЛШ самолета Л39 и АИ-25 ТЛК самолета К81 (Китай). Важность решения поставленной задачи обусловлена тем фактом, что температурный режим выходных газов двигателя является основным фактором, определяющим его ресурсные характеристики. БРТ является современным цифровым устройством с широкими функциональными возможностями и обеспечивает высокую точность поддержания заданного температурного режима двигателя. В настоящее время проводятся Государственные летные испытания БРТ. На основе БРТ создана его модификация для решения задач регулирования температурного режима турбовальных двигателей семейства ТВ-117 производства ОАО «Мотор Сич». Преимуществом БРТ является возможность исключения колебательных режимов в контуре регулирования, что является исключительно важным вопросом для турбовальных двигателей.
В ходе многолетнего сотрудничества и совместной работы коллектива ОАО «Элемент» с ведущими специалистами Управления главного технолога, Управления главного метролога и цеха №39 ОАО «Мотор Сич» выполнен цикл работ по автоматизации и совершенствованию процесса стендовых испытаний.
Программно-технические комплексы автоматизации стендовых и ресурсных испытаний опытных и серийных ГТД позвонили обеспечить разработку, доводку, ресурсные и сертификационные испытания наиболее совершенных и перспективных двигателей отечественного производства: Д436-Т1, Т2, 148; АИ-222, АИ-450.
Новое поколение ПТК — автоматический регистратор параметров переносной (АРПП), имея минимально необходимые функции стационарных ПТК, позволяет обеспечить процесс испытаний на высоком информационно-метрологическом уровне на моторных стендах, не оснащенных стационарным ПТК. Все ПТК разработки ОАО «Элемент» прошли метрологическую аттестацию в органах Госстандарта и последующую сертификацию в составе моторных стендов с участием специалистов ЦИАМ. Для специалистов могут представить существенный интерес стендовые имитаторы самолетных и двигательных агрегатов СИАСиД и СИАБУК для моторных стендов испытаний Д-436-148 и АИ-450МС, применение которых позволяет сократить сроки испытаний и материальные затраты.
Новым перспективным научным направлением работы коллектива является развитие оценки
параметров, технического состояния и диагностики ГТД, предусматривающее переход от эксплуатации с фиксированным ресурсом двигателя в целом к эксплуатации «по техническому состоянию или с контролем технического состояния парка» (при этом фиксированным остается только ресурс основных деталей, разрушение которых может привести к опасным последствиям).
Указанный переход невозможен без обеспечения самодиагностики и прогнозирования технического состояния агрегатов на основе интеграции в состав двигателя электронных устройств контроля и измерения параметров с высокой степенью интеллектуализации, а также разработки новых концептуальных подходов к решению задач оценки технического состояния ГТД и силовых установок с применением современных методов трендового анализа и информационных технологий удаленного мониторинга. Необходимо выделить следующие важнейшие направления реализации концептуальных подходов:
— разработка нового более совершенного алгоритмического обеспечения диагностических систем и систем типа FADEC, позволяющего на основе индивидуализированных математических моделей ГТД осуществлять трендовый анализ основных режимных параметров по наработке и решать задачи прогнозной диагностики;
— создание виртуальных стендов комплексного многодисциплинарного моделирования силовых установок, двигателей и их агрегатов для отработки перспективных решений и оценки эффективности диагностических процедур по базам данных эксплуатации;
— разработка и реализация концепции удаленного мониторинга силовых установок на основе ГТД с применением современных телекоммуникационных средств и перспективных диагностических программно-аппаратных комплексов.
Удаленный мониторинг технического состояния ГТД позволяет сконцентрировать интеллектуальные и информационные ресурсы всех участников создания и эксплуатации ГТД и повысить тем самым надежность и достоверность диагностических выводов, обеспечивая организационную и методическую основу для решения проблемы эксплуатации СУ и ГТД по техническому состоянию, а в перспективе — по уровню функциональной надежности. Элементы концепции удаленного мониторинга разработаны совместно специалистами ОАО «Элемент» и ГП «Зоря-Машпроект» и нашли свое воплощение в ТЗ на первую такую систему.
Основные организационно- методические направления деятельности ОАО «Элемент» определены Положением о головной организации:
— координация и непосредственное участие в формировании единой научно-технической
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 3/2008
- 39 -
политики по направлению «Электронные системы измерения, контроля параметров и управления авиационными двигателями», что выражается в совместной деятельности с Министерством промышленной политики по формированию и исполнению тематического плана НИОКР в рамках Государственной программы развития авиации Украины до 2010 г.;
— изучение, обобщение и распространение достижений отечественного и зарубежного опыта, что обеспечивается научными публикациями ОАО «Элемент», организацией совещаний и семинаров, участием в авторитетных международных конференциях, подготовкой сборника научных трудов за период 2001-2007. В сборник вошли результаты разработок, выполненных специалистами предприятия, в том числе совместно со специалистами ГП ЗМКБ «Прогресс», ОАО «Мотор Сич», ГП «Зоря-Маш-прект», ХАИ, ЦИАМ. Сборник трудов рассмотрен, одобрен и рекомендован к печати научно-техническим советом Министерства промышленной политики. Проведен ряд научно-технических семинаров, в частности, по применению программно-аппаратных средств компании National Instruments, системным интегратором которой является ОАО «Элемент», по внедрению платформы LabVIEW для создания автоматизированных систем для авиационной промышленности, подготовлены аналитические обзоры по проблемным вопросам авиадвигателестроения;
— участие в решении вопросов научно-технической кооперации с зарубежными предприятиями. В этом направлении ОАО «Элемент» на протяжении более 10 лет сотрудничает с компанией Kulite Semiconductor Products Inc. по использованию сертифицированных для полетов датчиков давления в бортовых агрегатах и системах отечественных самолетов. За время совместной деятельности были отобраны датчики для бортовых систем и агрегатов Ан-148 (40 единиц на один самолет), проведен ряд семинаров в Украине и семинар в США, в
котором приняли участие специалисты ГП ЗМКБ «Прогресс» и ОАО «Мотор Сич», проведены на моторном стенде ГП «Зоря-Машпро-ект» испытания датчиков КиШе для контроля виброгорения в малоэмиссионных камерах сгорания. ОАО «Элемент» ведет активную научно-техническую деятельность и сотрудничество с ЦИАМ — ведущей зарубежной организацией в отрасли, входит в состав и принимает участие в мероприятиях АССАД — ассоциации, объединяющей ведущие предприятия и организации авиационного двигателест-роения на территории СНГ.
Заключение
Научно-техническая и огранизационно-ме-тодическая деятельность ОАО «Элемент» как головной организации направлена на всестороннее развитие научно-технического направления «Электронные системы измерения, контроля параметров и управления авиационными двигателями» за счет:
— сокращения сроков разработки и повышение качества разработки в результате использования наиболее передовых наукоемких решений, углубляющих понимание физической природы регулируемых процессов и обеспечивающих совершенствование методов самодиагностики и прогнозирования состояния;
— решения поставленной задачи перехода и эксплуатации ГТД по техническому состоянию;
— разработки теоретических основ, в том числе — многодисциплинарных моделей ГТД и трендового анализа;
— максимально эффективного использования научно-технического потенциала предприятий, расширения и укрепления сотрудничества с ведущими предприятиями отрасли, Национальной академией наук и авторитетной вузовской наукой.
Поступила в редакцию 01.06.08
Рецензент: д-р техн. наук, профессор В.А. Водичев, Одесский национальный политехнический университет, г. Одесса.
Сформулъовано основы проблемы створення електронних пристрогв контролю та управ-лтня з высоким ступенем ттелектуалгзаци, з функщею аналгзу змти параметргв, що набува-ютъ особливого значення у зв'язку з переходом до експлуатацПГТДза техшчним станом. Висвгтлено досвгд ршення цих проблем у ВАТ«Елемент» як головног оргашзацП Мтстер-ства промисловог полтики Украгни з науково-техшчного напрямку «Електронт системи вимгрювання, контролю параметргв та управлтня авгацшними двигунами». Наведено органi-зацшно методичну дiялънiстъ ВАТ «Елемент» з реалiзацii комплексних пiдходiв до ршення проблем удосконалення систем вимiрювання, контролю параметрiв та управлтня авiацiйними двигунами.
The basic problems of development of electronic control and management devices with a high degree of intellectualization, with function of the process variation analysis, getting special value in connection with transition to GTE operation under technical condition are formulated. Experienc to solve these problems by JSC «Element» as Parent organization of Ukrainian Ministry of Industrial Policy in a scientific and technical direction «Electronic systems of measurement, the parameters control and managements of aviation engines» is shown. Methodical organizational activity of JSC «Element» on realization of complex approaches to the problems decision ofperfection of measurement, parameters control and managements systems for aviation engines is presented.
