Построение команд управления информационно-управляющей системы контроля состояния входного воздушного тракта авиационного двигателя газоперекачивающего агрегата Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 629.735.45:681.5 Улыбин С.В.

ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева», Казань, Россия.

ПОСТРОЕНИЕ КОМАНД УПРАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ВХОДНОГО ВОЗДУШНОГО ТРАКТА АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩНГО АГРЕГАТА

Эффективность применения сложных автоматизированных технических объектов неразрывно связана с проблемой контроля текущего 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].

Для построения информационно-управляющей системы контроля состояния ВВТ ГПА разработана методика контроля состояния ВВТ ГПА по критерию безопасности [4], согласно которой проводится количественная оценка уровня опасности возникающих нештатных ситуаций и формируются информативные функ-

ггт /гН 1 гГ\Н 2

ции опасности [5]: Фоп - по низкому давлению воздуха на входе авиационного двигателя; Фоп - по

попаданию на вход авиационного двигателя неочищенного воздуха; Ф^ - по обледенению ВНА компрессора авиационного двигателя. На основе информативных функций опасности необходимо построить команды управления для обеспечения безопасной работы ВВТ ГПА.

Например, информативная функция опасности ФН по низкому давлению воздуха на входе АД (нештатная ситуация Ні ) может быть представлена в виде:

фн1 = Ji

оп -1600

(1)

Значение параметра J £-1600 Па соответствует аварийному значению. Поэтому при достижении значения избыточного давления в камере всасывания Ресас =-1600 Па должен производиться аварийный останов АД.

Интегральная информативная функция опасности с учетом влияющих факторов выглядит следующим образом:

фН = 0,06—+ 0,83J3 = 0,06(J4 + J5 + Jб) + 0,83J3 . оп 350

(2)

Для предотвращения аварийного останова АД необходимо выполнять действия предупреждающие разви-

Н1

оп

тие нештатной ситуации Н1 , так чтобы Фш ® 0 .

Для построения команд по предотвращению развития ситуации Н1 необходимо разбить интегральную

информативную функцию ФН на составляющие: 0,06(J4 + J5 + J6) (засорение фильтров ВОУ где J4 - «бы-

строе» обледенение, J5 - «медленное» обледенение, J6 - забивание фильтров ВОУ пылью) и 0,83J3 (не открытие БК при засорении фильтров ВОУ и снижении давления в камере всасывания) .

Согласно присвоенному коэффициенту влияния a = 0,83 критерий J3 (не открытие БК при засорении фильтров ВОУ и снижении давления в камере всасывания) имеет более критичное влияние на развитие нештатной ситуации Н1 . Поэтому при построении алгоритма следует присвоить больший приоритет ко-

мандам на парирование критерия J3 (то есть без попыток ликвидации засорения фильтров ВОУ) . Причина засорения при этом не должна учитываться. В случае не открытия БК при засорении фильтров необходим нормальный останов АД (чтобы не допустить развитие аварийной ситуации и не прибегать к АО).

Сформируем команду №1 на парирование ситуации, когда J 3 = 1 (при

крылся БК) в графическом виде на рис. 1.

10 с

I------1

Нормальный ' останов АД

Рисунок 1. Команда на включение нормального останова в случае фильтров ВОУ

засорении фильтров ВОУ не от-

не открытия БК при засорении

В том случае, когда байпасный клапан при засорении открылся ( J 3 = 0 ) необходимо учитывать при-

чину засорения фильтров, на которое согласно первому слагаемому 0,06(J 4 + J 5 +J6) влияет один из трех параметров: J4 - «быстрое» обледенение, J5 - «медленное» обледенение, J6 - забивание пы-

лью .

Параметры J4 , J5 , J зависят друг от друга и в равной степени влияют на развитие нештатной ситуации Н1 . При этом в случае засорения фильтров вследствие забивания их пылью при отсутствии

обледенения и наличия сигнала в течение 5 минут необходимо сделать нормальный останов АД не допустив аварийного для замены фильтрующих элементов. Команда №2 в графическом виде представлена на рис. 2.

с!Рф> 350 Па

Обледенение фильтров ВОУ

&

300 с

і—і

Нормальный останов АД

Замените | [фильтры BOYj

Рисунок 2. Команда на включение нормального останова при забивании фильтров ВОУ пылью Внутренний сигнал «Обледенение фильтров ВОУ», формируемый при наличии «быстрого» или «медленного» обледенения, показан на рис. 3. «Быстрое» обледенение фильтров ВОУ характеризуется ростом

перепада давления на фильтрах за текущий час более чем в 5 раз по отношению к среднему росту перепада давления на фильтрах за 6 предыдущих часов. «Медленное» обледенение фильтров ВОУ характеризуется ростом перепада давления на фильтрах за последние 12 часов на 80 Па при температуре ок-

ружающего воздуха ТОКр < 5oC .

Обледенение фильтров ВОУ

| ГТД работает > 12 часов |-►

Рисунок 3. Включение сигнала «Обледенение фильтров ВОУ»

где СРф - текущее значение перепада давления на фильтрах, сРф1

значение перепада давления

на фильтрах 1 час назад, <ірфі - значение перепада давления на фильтрах 7 часов назад, СРф12 -значение перепада давления на фильтрах 12 часов назад.

Команда №3 на включение нормального останова при засорении фильтров и наличии сигнала «Обледенение фильтров ВОУ» представлена на рис. 4.

Если перепад давления на фильтрах <1Рф > 350 Па и имеется сигнал «Обледенение фильтров» в тече-

нии 200 секунд, то сигнал поступает на элемент сравнения, где текущее значение перепада давления «А» сравнивается со значением «В» перепада давления 100 секунд назад. Если A >B (ПОС не справляется с обледенением), то необходимо выполнить нормальный останов АД. Если A £ B , то сравнение величин А и В выполняется каждые 100 секунд, пока не пропадет одно из условий «АД работает», « сіРф > 350 Па», «Обледенение фильтров ВОУ».

В команду №3 введен контроль динамики изменения перепада давления на фильтрах ВОУ с той целью, чтобы дать возможность ликвидировать обледенение силами противооблединительной системы (ПОС) ВОУ.

Ьп

Обледенение фильтров ВОУ

А>В

НО АД

Рисунок 4. Команда на включение нормального останова при обледенении фильтров ВОУ, где А - текущее значение перепада давления на фильтрах ВОУ, В - значения перепада давления на фильтрах ВОУ, зафиксированное за 100 секунд до текущего.

Команды №1, 2, 3 предназначены для предотвращения аварийного останова АД и выполнения НО, ко-

гда параметры J

J3 достигают критических значений. В случае своевременного включения ПОС ВОУ

и

имеется возможность не допустить достижения параметрами J2 и J3 критических значений. Для этого

сформируем команду №4 на парирование «медленного» и «быстрого» обледенения и команду №5 на включение ПОС ВОУ при наличии высокой вероятности обледенения фильтров ВОУ.

Команда №4 представлена на рис. 5. В случае наличия условий «быстрого» обледенения (

T < 5oC

± окр.еозд. и ^

(СРф - гїРфі) >

2(АРфі - dPy 6

АД работает > 8 ч) или условий «медленного» обледенения (

T''окр.еозд. < 5oC ; (СРф - dPфl2) > 100 Па; АД работает > 12 ч) сигнал поступает на RS-триггер и включается

ПОС ВОУ (открывается заслонка подачи горячего воздуха из компрессора АД) . Через 1200 секунд работы ПОС сигнал поступает на элемент сравнения текущего значения перепада давления на фильтрах ВОУ «А» и значения перепада давления на фильтрах, зафиксированное за 1200 секунд до текущего «С». В том случае, если A <C (ПОС справляется с обледенением), через каждые 300 секунд контролируется разница между А и С. Если A >C , обледенение ликвидировано или ПОС не справляется, то необходимо подать команду на отключение ПОС ВОУ.

тс

Быстрое обледенение

К1

Включить ПОС ВОУ

1

Т окр. возд < 5 С (с1Рф-с1Рф12) >100 Па

& —і

ГТД работает > 12 часов

А > С

Рисунок 5. Команда на парирование обледенения, где А - текущее значение перепада давления на фильтрах ВОУ, С - значение перепада давления на фильтрах ВОУ, зафиксированное за 1200 секунд до текущего

При неблагоприятных климатических условиях ( -10 < Токр.возд < 5 °С, влажность окружающего воздуха

>80%), в которых высока вероятность обледенения фильтров [3], необходимо включать ПОС ВОУ для предупреждения обледенения, как показано на рис. 6.

-10°С < Т окр. возд < 5°С

Влажность окр. возд. > 80%

1800 сек

S Тг Q

R о"

г Включить ^ ПОС ВОУ

Выключить ПОС ВОУ

Рисунок 6. Команда на включение ПОС при высокой вероятности обледенения

Аналогичным образом получена команда на парирование нештатной ситуации Н2 - попадание на вход

авиационного двигателя неочищенного воздуха, которая показана на рис. 7. Информативная функция

опасности возникновения ситуации H2 определяется соотношением

ФН2 = а2 J 2 + а7 J 7 = 0,66 J + J7

оп 2 7 350 7

(3)

где параметр J7 - открытый БК при отсутствии засорения.

Рисунок 7. Команда на включение нормального останова в случае открытия БК при отсутствии засорения .

Команда на парирование нештатной ситуации Н3 - обледенение ВНА компрессора авиационного дви-

гателя показана на рис. 8. Информативная функция опасности возникновения ситуации Н3 имеет вид

Фн = а9J8 +a9J9 = J8 + 6,4• 10 3J9 , (4)

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

раметр J9 - наличие высокой вероятности обледенения ВНА.

Рисунок 8. Команда на включение ПОС ВНА

Таким образом, раскрывается методика построения команд управления системами воздушного тракта авиационного двигателя газоперекачивающего агрегата на основе информативных функций опасности, в соответствии с которой формируются команды управления для обеспечения безопасной работы ВВТ ГПА. Реализация данных команд в информационно-управляющей системе контроля состояния воздушного тракта авиационного двигателя позволит в автоматическом режиме выполнять своевременные действия для предотвращения аварийной ситуации.

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 газоперекачивающего агрегата по критерию безопасности / Современные технологии, материалы, оборудование и ускорен-

ное восстановление квалифицированного кадрового потенциала - ключевые звенья в возрождении отечественного авиа- и ракетостроения: Сборник докладов международной научно-практической конференции. Т.ІУ. Казань, 14-16 августа 2012 года. - Казань: Изд-во "Вертолет". 2012.- c.144-150.

5. Улыбин С. В. Методика количественной оценки уровня опасности функционирования воздушного тракта авиационного двигателя газоперекачивающего агрегата / НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО - 2013 : Труды Международного симпозиума: в 2 т. под ред. Н. К. Юркова. — Пенза: Изд-во Пенз. ГУ, 2013. -

2 том - 417 с. ISSN 2220-6418.