ZASTOSOWANIE TECHNOLOGII ACTIVE CONTROL W SILNIKACH LOTNICZYCH

Transkrypt

1 ZASTOSOWANIE TECHNOLOGII ACTIVE CONTROL W SILNIKACH LOTNICZYCH Mirosław KOWALSKI Mirosław WITOŚ Wstęp Podstawy teoretyczne active control Przykłady: Active control w sprężarkach Active control procesu spalania Polskie doświadczenia Podsumowanie Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych, Zakład Silników Lotniczych ul. Księcia Bolesława 6, Warszawa, skr. poczt miroslaw.kowalski@itwl.pl; miroslaw.witos@itwl.pl

2 1. Echo sesji DIAGNOSTYKA - AUTOMATYKA?, DPP 99 A U T O M A T Y K A U 1 = n U 2 U Z FUNKCJA UKŁADU 1 2 Z STRUKTURA UKŁADU Q pal Z = 3 4 D I A G N O S T Y K A R = R KONSTRUKTOR / PRODUCENT 2. Obszar współpracy naukowo-badawczej w ramach RTO NATO 3. Obszar potencjalnych problemów z eksploatacją samolotu F-16

3 GŁÓWNE PROBLEMY konstrukcyjno-eksploatacyjne silników lotniczych Bezpieczna eksploatacja starzejącej się techniki lotniczej Separacja wiru wlotowego od powierzchni lotniska (zasysanie ciał obcych) Eksploatacja silnika po oblodzeniu/ptaku Rozrzut właściwości przepływowych sprężarki (granica pompażu, wirujące strefy oderwań) Flatter łopatek sprężarki/turbiny Wysokoczęstotliwościowe zmęczenie materiału; Niestabilność procesu spalania paliwa Niestabilność warstwy przyściennej w dyszy

4 OBSZAR DIAGNOSTYKI SILNIKA DLACZEGO??? Poziom diagnozowania Bezpieczna eksploatacja

5 Procesy starzenia i zużywania się silnika uwarunkowane są przez cztery zmienne: T - czas pracy PST - początkowy stan techniczny (jakość produkcji) RWP - rzeczywiste warunki pracy (jakość eksploatacji) BST - bieżący stan techniczny (j.w. + jakość remontu) T PST RWP OBIEKT TECHNICZNY BST POMIARY ANALIZA DIAGNOZA ~ BST PROGNOZA Najsłabiej rozpoznaną składową starzenia i zużywania się silnika lotniczego są rzeczywiste warunki pracy (obciążenie)

6 ŹRÓDŁO OBCIĄŻEŃ F o F A F KS M T F T FLAY LOAD M o M S F A F S F KS F A F z F y F x PROCES SPALANIA PALIWA (F KS ) pulsacje ciśnienia i ciepła NIEWYWAŻENIE SPRĘŻARKI i TURBINY (F S, F T ) WYMUSZENIA AERODYNAMICZNE PRZEPŁYWU (F A ) ODBIÓR MOCY (F o, M 0 ) OBCIĄŻENIA LOTNE (Fx, Fy, Fz) start, lądowanie, średni i wyższy pilotaż

7 W celu zmniejszenia ryzyka uszkodzenia silnika należy: UMIEĆ rozpoznawać zjawiska towarzyszące jego pracy CELOWO ingerować w intensywność wymuszeń generowanych przez niekorzystne zjawiska dynamiczne PASSIVE CONTROL zmiana konstrukcji lub jakości regulacji (odstrojenie częstotliwości rezonansowych, zwiększenie tłumienia) P G 1 GQ F G ACTIVE CONTROL zastosowanie DODATKOWYCH układów sprzężenia zwrotnego, które korygują CHARAKTERYSTYKĘ OBIEKTU poprzez wprowadzanie do kontrolowanego PROCESU ZEWNĘTRZNYCH ZABURZEŃ P CG 1 C( Q C F ) G F G

8 Testy laboratoryjne Linear theory NIESTABILNOŚĆ SPALANIA Nonlinear theory Active control Jet B Jet A Silniki rakietowe Dopalacze i silniki strumieniowe (high f) Apollo Dopalacze i silniki strumieniowe (low f) Turbiny gazowe (low i high f) Zmiana typu paliwa lotniczego z Jet B (PSM-2) na Jet A-1 (podwyższenie temperatury początku destylacji o około 70 o C) ujawniła NOWE problemy eksploatacyjne na STARYCH (nie modernizowanych) silnikach (koksowanie i wypalenia komory spalania, urwania zmęczeniowe łopatek sprężarki/turbiny, niestabilność pracy dopalaczy)

9 OBSZAR ZAINTERESOWANIA ACTIVE CONTROL W NATO Silniki lotnicze Identyfikacja rzeczywistych warunków pracy podzespołów silnika lotniczego Modelowanie 2D i 3D zjawisk dynamicznych występujących podczas pracy silnika Czynna ingerencja w niekorzystne zjawiska dynamiczne (wdrażanie technologii active control ) Rozszerzenie zakresów eksploatacyjnych podzespołów silnika lotniczego Doradczo-ekspertowe monitorowanie i diagnozowanie silnika Główna idea ACTIVE CONTROL obniżenie poziomu niekorzystnych zjawisk dynamicznych, jest zbieżna ze współczesną diagnostyką techniczną starzejącej się techniki lotniczej

10 INGERENCJA UKŁAD WYKONAWCZY OBIEKT CZUJNIKI ZJAWISKO STEROWNIK MODEL ZJAWISKA Praktyczna realizacja ACTIVE CONTROL wymaga rozwiązania problemów z obszaru: Zagadnień teoretycznych (metody i algorytmy szybkiej analizy sygnałów, modele 2D i 3D zjawisk dynamicznych, reguły identyfikacji, diagnozowania i sterowania, symulacja skutków) Zagadnień metrologii (dobór sygnałów pomiarowych, dobór przetworników z uwzględnieniem dynamiki zjawisk) Aplikacji (opracowanie czujników wysokotemperaturowych, projektowanie sterowników i ich oprogramowania, opracowanie szybkich układów wykonawczych)

11 ALGORYTMY STEROWANIA W aplikacjach Active control do identyfikacji zjawisk dynamicznych i sterowania ich intensywnością stosowane są znane z automatyki metody/algorytmy korekcji, tj.: Regulator PID (Fung, Yang) Regulator z analizą dziedziny częstotliwości (Bloxside, Langhorne, Fung, Schadov, Gulati, Mani, Annaswamy, Ghoniem, Hantschek) Obserwator adaptacyjny i na bazie modelu zjawiska (Yang, Neumeier, Zinn) Sterowanie LQR i LQG (Annaswamy) Sterowanie LMS i sieci neuronowe (Billoud, Allen, Kemal, Browman, Koshigoe) Sterowanie wg algorytmów logiki rozmytej (Menon, Sun) Ograniczenia praktyczne: zawory kluczujące do 600 Hz

12 PRZYKŁADY Active control sprężarki Active control spalania

13 ACTIVE CONTROL SPRĘŻARKI Zwiększenie zakresu stabilnej pracy sprężarki Likwidacja nieciągłości charakterystyki sprężarki Ochrona silnika przed pompażem Płynne sterowanie linią stanów ustalonych Pompaż: f p < 30 Hz Strefy oderwań: f o = f obr ( Hz)

14 PŁYWAJĄCA LINIA STANÓW USTALONYCH Położenie linii stanów ustalonych zależy od poziomu zaburzeń przepływu na wlocie silnika (przy małej pulsacji silnik ma zwiększone dławienie i ciąg)

15 WIRUJĄCE STREFY ODERWAŃ Doprowadzenie dodatkowego powietrza do obszaru o obniżonym ciśnieniu

16 PROGRAM HISTEC (High Stability Engine Control) Badania w locie na samolocie F-15 Active : Stabilna praca silnika poza dotychczasową granicą pompażu Szybkie przywracanie stabilnej pracy silnika Wzrost sprężu sprężarki i ciągu silnika Metoda nie została wdrożona do eksploatacji

17 ACTIVE CONTROL SPALANIA Dynamika spalania Jednorodność pola temperatur Emisyjność spalin

18 TŁUMIENIE PULSACJI SPALANIA. m. m 0.pow. 0.paliwa =const =const + Stabilizator płomienia... ~. ~... ~. m=m0.pow. + m0.paliwa+ mpow. + mpaliwa Q = Q o + Q Przekrój Stabilizator wlotowy p~ Q ~ Akustyka Układ wykonawczy Czujnik AIC - system Sterownik Modulacja do 5% wydatku paliwa zmniejsza poziom pulsacji o 20 db p śr = 30 at, dp = 1.5 at I a = 5 MW/m 2 - wym. akustyczne I t = 500 MW/m 2 - wym. termiczne

19 EMISYJNOŚĆ SPALIN Slow Time-Scale Supervisory Controller Identification of Flame & Emission Control Parameters Optimization of Combustion Performance Reduction of Pollutant Emissions Distributed Sensors for Quasi-Static Variables Fast Time-Scale Flame Controller Suppression of Combustion Oscilations Avoidance of Lean Blowout Distributed Sensors for Transient Variables Distributed Actuators for Manipulation of: Secondary Fuel Flow Cooling air Actuators for Manipulation of: Main Fuel Flow Fuel/Air/Ratio Main Compressor Primary Air Swirl Fuel/Air flow Flow Control off Identification Control on Control off Products of Combustion Control on

20 Zmniejszenie amplitudy pulsacji spalania zwiększa moc silnika turbośmigłowego

21 POLSKIE DOŚWIADCZENIA ACTIVE CONTROL Silniki lotnicze Technologie active control nie istnieją w polskim lotnictwie wojskowym, na co wpływ mają, m.in.: Przestarzałe rozwiązania konstrukcyjne silników Brak zapotrzebowania na krajowe rozwiązania techniczne (modernizacja i redukcja armii, import technologii) Brak współpracy między ośrodkami naukowo-badawczymi i przemysłem W krajowych ośrodkach naukowo-badawczych istnieje dobre przygotowanie teoretyczne do rozwiązywania problemów active control silników lotniczych Bezpieczna eksploatacja starzejącej się techniki lotniczej wymaga diagnozowania i czynnej ingerencji w strukturę antropotechniczną

22 DIAGNOZOWANIE/ ACTIVE CONTROL STRUKTURY ANTROPOTECHNICZNEJ Przesłanki: 1. Słabo postrzegane i korygowane są: błędy szkoleniowe przekroczenia eksploatacyjne sytuacje awaryjne przez: Pilota Laboratorium Kontroli Lotów Personel techniczny Przełożonych 2. Wpływ sytuacji gospodarczej na jakość produkcji i remontu Cel: 1. Minimalizacja OKRESOWO występujących: Wypadków lotniczych (Urbański, Wołkowski) Uszkodzeń zmęczeniowych silnika 2. Identyfikacja przesłanek produkcyjno-remontowych uszkodzeń silników

23 ACTIVE CONTROL STRUKTURY ANTROPOTECHNICZNEJ Przyczyną ponad 70% uszkodzeń silników jest ZŁY STAN TECHNICZNY I BŁĘDNA REGULACJA UKŁADU PALIWOWEGO n 0 -n e UKŁAD Q pal n Prędkość obrotowa SILNIK PALIWOWY jako obserwator procesu eksploatacji Zadania Piloci Personel LKSL Personel SIL Logistyka Remont Silniki Stan techniczny ITWL

24 SYSTEM DIAGNOSTYCZNY SNDŁ-1b/SPŁ-2b Silnik typu SO-3 Monitorowanie drgań łopatek sprężarki na płatowcu 1993 r. n j n j e j const CODE j Analiza stanu technicznego i drgań łopatek I st. sprężarki 1993 r. e j e Bj e Sj Ekspertowa analiza układu paliwowego 1996 r. Ocena stanu technicznego i warunków pracy ułożyskowania wirnika 1999 r r. wdrożenie systemu diagnostycznego do remontu silnika

25 DOŚWIADCZENIA EKSPLOATACYJNE Systemu diagnostycznego SNDŁ-1b/SPŁ-2b Na podstawie ponad 10-letniej eksploatacji systemu SNDŁ-1b/SPŁ-2b (ponad 3000 rejestracji widma drgań) stwierdzono, że przy: prawidłowej organizacji obsług technicznych; właściwym zabezpieczeniu materiałowo-technicznym prac; zrozumieniu problemu bezpieczeństwa lotów można nie tylko ROZPOZNAWAĆ i PROGNOZOWAĆ stan techniczny i energetyczny silnika, ale również CZYNNIE INGEROWAĆ w poziom niezawodności i koszt eksploatacji Wyeliminowano zmęczeniowe pękanie i urywanie łopatek I st. sprężarki (7x wydłużono średni czas pomiędzy urwaniami) Wyeliminowano zjawisko pompażu silników SO-3 w eksploatacji Wycofano 5 silników z wadliwą geometrią piór łopatek Wprowadzono nadzorowaną eksploatację 42 silników po zassaniu ptaka/oblodzeniu Zweryfikowano i skorygowano WT remontu silnika SO-3

26 PODSUMOWANIE 1. Światowe doświadczenia w tematyce active control powinny zostać wykorzystane w procesie eksploatacji istniejących maszyn, m.in. w: optymalizacji warunków pracy systemach ekspertowych (baza wiedzy) sterowaniu procesem starzenia 2. Obszarem zainteresowania krajowych ośrodków mogą być zarówno dotychczasowe doświadczenia jak i potrzeby technologii active control