ZASTOSOWANIE TECHNOLOGII ACTIVE CONTROL W SILNIKACH LOTNICZYCH

Transkrypt

1 VI Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna: września, 2003, Jurata k/gdańska Diagnostyka Procesów Przemysłowych ZASTOSOWANIE TECHNOLOGII ACTIVE CONTROL W SILNIKACH LOTNICZYCH Mirosław KOWALSKI*, Mirosław WITOŚ** Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych, Zakład Silników Lotniczych ul. Księcia Bolesława 6, Warszawa skr. poczt 96, * miroslaw.kowalski@itwl.pl; ** miroslaw.witos@itwl.pl Streszczenie. W artykule przedstawiono obszar zainteresowania czołowych ośrodków naukowo-badawczych państw NATO w zakresie aktywnego sterowania zjawiskami dynamicznymi. Przedstawiono zagadnienia teoretyczne i przykłady aplikacji, które rozwiązują m.in. problemy rozwiniętych stref oderwań i stabilizacji pompażu sprężarki oraz tłumienia wybranych modów procesu spalania. Przez podobieństwo idei technologii active control i współczesnej diagnostyki wskazano możliwości transferu myśli i rozwiązań, na podstawie których możliwe będzie przechodzenie z pasywnej kontroli stanu technicznego obiektu (identyfikacji skutków) do aktywnej ingerencji w niekorzystne warunki pracy na długo przed wystąpieniem uszkodzeń. 1. WSTĘP Jednym z głównych problemów eksploatacji statków powietrznych jest zapewnienie wysokiego poziomu niezawodności i bezpieczeństwa lotów. Podejmowane czynności diagnostyczne powinny zapewnić właściwe rozpoznanie symptomów starzenia i zużycia kontrolowanej techniki lotniczej (skutków eksploatacji). Powyższe procesy uwarunkowane są przez cztery zmienne (przyczyny): - czas pracy; - początkowy stan techniczny; - bieżący stan techniczny; - rzeczywiste warunki pracy. Najlepiej rozpoznaną przyczyną degradacji eksploatacyjnej obiektu jest czas jego pracy. W przypadku początkowego stanu technicznego przyjmuje się często założenie, że badany obiekt nie posiada błędów konstrukcyjnych i produkcyjnych, które mogą zasadniczo wpływać na różnicowanie szybkości degradacji w populacji (analizę trendów) [5]. Do identyfikacji bieżącego stanu technicznego elementów krytycznych konstrukcji użytkownik zostaje najczęściej wyposażony w niezbędną aparaturę kontrolno-pomiarową i metody analizy jakościowej [1]. Nie gwarantują ona jednak wiarygodnego prognozowania stanu technicznego, na co decydujący wpływ ma słabe rozpoznanie rzeczywistych warunków pracy obiektu. Taka sytuacja podnosi m.in. koszty eksploatacji zespołu napędowego (eksploatacja wg założonej zdatności międzyremontowej). Wychodząc naprzeciw potrzebom konstrukcyjnym i eksploatacyjnym techniki lotniczej, w czołowych ośrodkach naukowo-badawczych państw NATO od szeregu lat podejmowane są prace [1-7] mające na celu: - identyfikację rzeczywistych warunków pracy podzespołów silnika lotniczego; - modelowanie zjawisk dynamicznych występujących podczas pracy silnika; - czynną ingerencję w niekorzystne zjawiska dynamiczne (technologie active control ); - rozszerzenie zakresów eksploatacyjnych podzespołów silnika lotniczego; - doradczo-ekspertowe monitorowanie i diagnozowanie silnika. Główna idea active control obniżenia poziomu niekorzystnych zjawisk dynamicznych, jest zbieżna z oczekiwaniami współczesnej diagnostyki technicznej starzejącej się techniki lotniczej. 2. PODSTAWY TEORETYCZNE Analizując ograniczenia eksploatacyjne turbinowego silnika lotniczego można zauważyć główne problemy konstrukcyjno-eksploatacyjne, tj.:

2 - separacja wiru wlotowego od powierzchni lotniska (zasysanie ciał obcych); - wpływ rozrzutu właściwości przepływowych sprężarki na pracę silnika; - wirujące strefy oderwań i pompaż sprężarki; - flatter łopatek sprężarki/turbiny oraz wysokoczęstotliwościowe zmęczenie materiału; - niestabilność procesu spalania paliwa; - hałas silnika, sygnatura IR i niestabilność warstwy przyściennej w dyszy wylotowej. Do ich rozwiązania stosuje się dwie metody sterowania zjawiskami: passive i active control. Zasadnicze różnice w podejściu do rozwiązywanego problemu zobrazowano na przykładzie liniowego modelu układu z dodatnim sprzężeniem zwrotnym rys.1, np. prostym modelem zjawisk dynamicznych występujących podczas spalania paliwa. Rys.1. Model zjawisk dynamicznych w komorze spalania silnika lotniczego; F G wydatek paliwa; P ciśnienie spalin. Analizowane zjawiska dynamiczne są wypadkową właściwości: - akustycznych komory spalania G(s); - rezonansowych procesu spalania Q(s), które dla modelu liniowego opisuje zależność G P = F G (1) 1 GQ W przypadku zastosowania technologii passive control poprawę warunków pracy obiektu można uzyskać poprzez: - zmiany konstrukcyjne - modyfikację G(jω) obiektu (przesunięcie częstotliwości rezonansowych, zwiększenie tłumienia); - jakość regulacji - modyfikację Q(jω) sprzężenia zwrotnego (zmniejszenie Q w sąsiedztwie częstotliwości niestabilności). Podejście takie ma podstawową wadę: zastosowane na poziomie podzespołu ogranicza często możliwości eksploatacyjne obiektu, np. spowalnia stany przejściowe. Istnieją również ograniczone możliwości korygowania złożonych zjawisk dynamicznych, np. niestabilności procesu spalania, emisyjności spalin, czy nierównomierności pola temperatur. Inne podejście prezentowane jest w metodach active control, dla których zagadnienia teoretyczne są dobrze opisane we współczesnej teorii sterowania i w automatyce. Ideą tworzonych rozwiązań jest zastosowanie dodatkowych układów sprzężenia zwrotnego rys.2, które korygują charakterystykę obiektu poprzez wprowadzanie do kontrolowanego procesu zewnętrznych zaburzeń. Rys. 2. Aktywne sterowanie zjawiskami dynamiczny mi w komorze spalania. Właściwości dynamiczne zmodyfikowanego obiekt opisuje zależność CG P = FG 1 C( Q + C ) G (2) Praktyczna realizacja aktywnego sterowania niekorzystnymi zjawiskami dynamicznymi wymaga jednak pokonania szeregu problemów technicznych i teoretycznych, tj.: a) zagadnienia metrologii - dobór optymalnych sygnałów pomiarowych do rozwiązywanych problemów identyfikacji i diagnozowania; - dobór przetworników z uwzględnieniem właściwości dynamicznych obserwowanego zjawiska, np. bezinercyjny pomiar temperatur gazów wylotowych; - opracowanie wysokotemperaturowych przetworników wielkości fizycznych; b) zagadnienia teoretyczne - dobór metod i szybkich algorytmów analizy jakościowej sygnałów pomiarowych; - budowa modeli zjawisk dynamicznych (2D i 3D) oraz reguł identyfikacji, sterowania i diagnozowania; - symulacja i analiza skutków niekorzystnych zjawisk dynamicznych; c) aplikacje - dobór i projektowanie układów wykonawczych, np. szybkich zaworów i układów kluczujących; - projektowanie analogowych i cyfrowych układów przetwarzania sygnałów pomiarowych (systemy czasu rzeczywistego); F

3 - oprogramowanie sterowników i układów diagnostycznych. Pokonanie powyższych trudności rozszerza często możliwości eksploatacyjne obiektu, a obniżony poziom wymuszeń umożliwia bezpieczniejszą jego eksploatację. Doświadczenia technologii active control, a w tym pełniejsze rozpoznanie teoretyczne zjawisk dynamicznych oraz algorytmy szybkiego przetwarzania sygnałów pomiarowych umożliwiają również zwiększenie efektywności doradczo-ekspertowych systemów monitorującymi i diagnozujących (istniejących i nowo tworzonych). dostarczanie dodatkowego powietrza na wlot sprężarki (skorelowanego czasowoprzestrzennie z położeniem zaburzeń, powietrze pobierane jest z dalszych stopni sprężarki) rys.4, 3. PRZYKŁADY Praktyczne możliwości technologii active control zobrazowano na przykładach czynnej ingerencji w warunki pracy sprężarki osiowej i dynamiki procesu spalania Active control w sprężarkach Jednym z podstawowych ograniczeń stanów przejściowych silnika turbinowego jest granica stabilnej pracy sprężarki, poza którą mogą wystąpić: pompaż (wzdłużny przepływ zwrotny) i rozwinięte, wirujące strefy oderwań (obwodowe nierównomierności przepływu). Zjawiska te są ściśle związane z nieliniowymi właściwościami sprężarki, jej rozwiązaniem konstrukcyjnym, geometrią kanału przepływowego silnika i warunkami dławienia przepływu. Występujące podczas wyżej opisanych zjawisk okresowe wymuszenia mogą osiągać wartości niebezpieczne dla konstrukcji silnika (łopatek wirnikowych sprężarki i turbiny, łożyskowania wirnika oraz komory spalania). Stosowane rozwiązania active control bazują na zmniejszaniu lokalnych zaburzeń przepływu poprzez: rozdławianie dyszy wylotowej rys. 3, Rys. 3. Układ aktywnej stabilizacji silnika F-100-PW-229 [GRC NASA] Rys. 4. Aktywne sterowanie zjawiskami dynamicznymi występujących w sprężarce [2] Dostarczanie niewielkich ilości dodatkowego powietrza - do 2% masowego wydatku przepływu sprężarki, umożliwia w krótkim okresie przywrócić stabilną pracę sprężarki zwiększając jednocześnie uzyskiwany ciąg silnika. Na rys. 5. obszar rozwiniętej niestabilności przepływu odwzorowuje 4 sekundy pracy silnika, natomiast powrót do nowych warunków równowagi nie przekraczał 0,3 sekundy.

4 Występujące podczas spalania niekorzystne zjawiska dynamiczne mogą stanowić zagrożenie nie tylko dla komory spalania, ale również ostatnich stopni sprężarki i łopatek turbiny rys.7. Rys. 5. Zobrazowanie efektywności aktywnego sterowania stabilnością sprężarki [GRC NASA]. Omawiana metoda stabilizacji warunków pracy sprężarki była realizowana m.in. w ramach programu HISTEC (High Stability Engine Control). Badania w locie samolotu F-15 Active zostały zakończone w 1997 r Active control procesu spalania Podstawowym obszarem zainteresowania technologii active control w procesie spalania są: - termo-akustyczne oscylacje czynnika roboczego (nisko- i wysokoczęstotliwościowe); - emisyjność spalin, w szczególności tlenków azotu NOx; - nierównomierności pola temperatur w przekroju wlotowym turbiny. Poziom pulsacji ciśnienia i temperatury w komorze spalania wynika m.in. z: poziomu zaburzeń przepływu na wejściu i wyjściu komory spalania, jej właściwości rezonansowych oraz dynamiki spalania mieszanki paliwowo-powietrznej rys.6, w turbulentnym przepływie. Rys. 7. Uszkodzenia termiczne łopatek turbiny. Silna nieliniowość ww. procesów jest główną przyczyną pojawiania się nowych problemów eksploatacyjnych po wprowadzeniu nawet drobnych zmianach w warunkach pracy silnika, np. po zmianie składu frakcyjnego paliwa. Stosowane w procesie spalania rozwiązania active control bazują najczęściej na modulacji wydatku paliwa, dostarczanego przez dodatkowy wtryskiwacz do komory spalania rys. 8. Dotychczasowe wyniki prac [2, 4] wykazały, że wprowadzenie modulacji do 5% wydatku paliwa umożliwia zmniejszanie danego modu pulsacji nawet o 20 db.. m 0.pow. =const. m 0.paliwa=const + Stabilizator płomienia.. m=m0.pow.. + m0.paliwa ~. + mpow. ~. + mpaliwa.. ~. Q = Q o + Q Przekrój wlotowy Stabilizator p~ Q ~ Akustyka Układ wykonawczy Czujnik Sterownik AIC - system Rys. 8. Struktura układu aktywnego sterowania procesem spalania [Siemens]. Rys. 6. Charakterystyka problemu stabilności procesu spalania 3.3. Polskie doświadczenia Technologie active control nie występują w pełnym ich znaczeniu w polskim lotnictwie wojskowym, na co mają wpływ przestarzałe rozwiązania konstrukcyjne samolotów oraz brak szerszej współpracy przemysłu z ośrodkami naukowo-badawczymi. Uwzględniając jednak ideę czynnej ingerencji w poziom niekorzystnych zjawisk dynamicz-

5 nych oraz potrzeby bezpiecznej eksploatacji starzejącej się floty, w istniejących systemach kontrolno-pomiarowych i diagnostycznych można zauważyć zbliżone rozwiązania antropotechniczne. Są to: układy monitorujące wybrane sygnały pomiarowe, które ostrzegają użytkownika samolotu (pilota) o istniejącym niebezpieczeństwie lub przekroczeniu WT eksploatacji. Rolę układu wykonawczego w torze sprzężenia zwrotnego pełni pilot. Jeżeli jest to możliwe, to jego reakcja powinna usunąć sygnalizowane zagrożenie. Takie rozwiązanie stosowane jest m.in. na samolocie PZL-130TC1 Orlik i śmigłowcu W-3 Sokół oraz w sygnalizatorze SNDŁ-1b monitorującym drgania łopatek I stopnia sprężarki silników typu SO-3; układy diagnozujące okresowo poziom niekorzystnych zjawisk dynamicznych i stan techniczny obiektu. Sygnały ostrzegawcze kierowane są do personelu technicznego obsługującego samolot. To na nich spoczywa obowiązek minimalizacji niekorzystnych zjawisk dynamicznych i usprawnianie obiektu. Takie podejście zastosowano m.in. w doradczo-ekspertowym oprogramowaniu sygnalizatora pęknięć łopatek SPŁ-2b. Jakie są wady i zalety powyższych rozwiązań? Na podstawie analizy materiałów obiektywnej kontroli lotów stwierdzono, że sygnały ostrzegawcze generowane przez układy monitorujące są często lekceważone lub słabo postrzegane przez pilotów. Na taką sytuację mają wpływ m.in.: nadmiar informacji postrzeganej przez pilota podczas wykonywania złożonych zadań oraz sytuacja czasowo-przestrzenna samolotu (figury wyższego pilotażu, loty zespołowe z minimalnymi odstępami). Brak właściwej reakcji użytkownika na sygnalizowane przekroczenia WT zespołu napędowego jest jedną z przyczyn powstawania: - przegrzań lub wypaleń elementów gorącej części silnika, np. komory spalania lub łopatek dyfuzora turbiny; - pęknięć zmęczeniowych wirujących elementów, np. łopatek sprężarki lub turbiny; - przeciążeń dynamicznych układu kinematycznego, np. łożysk lub uzębienia kół zębatych. Nie mniej jednak, układy monitorujące mają podstawową zaletę w czasie rzeczywistym lotu generują informację o powstałym zagrożeniu. Przeoczone przez pilota ostrzeżenie powinno zostać zauważone przed kolejnym lotem przez personel Laboratorium Kontroli Lotów. Niestety, często i na tym etapie przetwarzania informacji dochodzi do przeoczenia ostrzeżeń, na co główny wpływ ma niedoskonałość stosowanego oprogramowania (ukierunkowanego na zobrazowanie informacji z rejestratora pokładowego, a nie na subtelną analizę jakościową danych). Opisywanej wady układów monitorujących nie mają układy okresowo diagnozujące, pod warunkiem jednak, że zostały one wyposażone w procedury obiektywnej kontroli poprawności ich eksploatacji (człon korekcyjny znajdujący się poza obszarem bezpośredniej eksploatacji). Przykład: Doradczo-ekspertowe oprogramowanie sygnalizatora SPŁ-2b generuje: - informacje o bieżącym stanie technicznym silnika SO-3 i poziomie wymuszeń występujących podczas rejestracji; - zalecenia określające niezbędne postępowanie korygujące, m.in. optymalizację warunków pracy silnika uzyskiwaną w wyniku doregulowania układu paliwowego; - adnotacje w dzienniku pracy systemu (bez możliwości ingerencji użytkownika), które umożliwiają obiektywną kontrolę eksploatacji systemu diagnostycznego, np. podczas badania wypadku lotniczego. Na podstawie ponad 10-letnich doświadczeń eksploatacyjnych oprogramowania stwierdzono, że przy: - prawidłowej organizacji obsług; - właściwym zabezpieczeniu materiałowotechnicznym prac; - prawidłowym zrozumieniu problemu bezpieczeństwa lotów można nie tylko właściwie rozpoznawać i prognozować stan techniczny i energetyczny silnika, ale również czynnie ingerować w poziom niezawodności i strumień uszkodzeń (typ i częstość występowania) - koszt eksploatacji. Powyższe efekty uzyskano poprzez optymalizację ścieżki stanów przejściowych silnika SO-3 (rys.9). Właściwa jakość regulacji eksploatacyjnej i fabrycznej układu paliwowego, bazująca m.in. na doświadczeniach active control, zapewniła żądany zapas do granicy: - pompażu, - niestabilności aero-mechanicznych (rozwiniętych stref oderwań i drgań samowzbudnych łopatek); - pola wysokich temperatur przed turbiną.

6 krofalowy czujnik przemieszczeń i dokonano jakościowej identyfikacji układu paliwowego silników: M-601T, RD-33 i AŁ-21F3. LITERATURA Rys. 9. Zobrazowanie stanów przejściowych silnika SO-3 na płaszczyźnie fazowej. W efekcie indywidualnej optymalizacji regulacji silników zmniejszono m.in. o ponad 40% amplitudę drgań łopatek I st. sprężarki (w zakresie obr/min) oraz bezdotykowo odstrojono większość łopatek od wymuszeń rezonansowych II synchroniczną. Zmniejszając poziom obciążeń eksploatacyjnych kontrolowanych łopatek sprężarki, komory spalania, turbiny i ułożyskowania wirnika oraz wprowadzając nowe rozwiązania w procesie technologicznym remontu silnika zabezpieczono jego długoletnią, bezpieczną eksploatację, pomimo istnienia błędów eksploatacyjnych i konstrukcyjnych. Na powyższe efekty wpływ miała długookresowa stabilność regulacji podzespołów układu paliwowego, która umożliwiła prognozowanie stanu technicznego i energetycznego silnika z horyzontem czasowym 50 godz. pracy. 4. PODSUMOWANIE Doświadczenia czołowych, światowych ośrodków naukowo-badawczych w tematyce active control powinny być wykorzystane w procesie eksploatacji istniejących maszyn (optymalizacja warunków pracy) i ich diagnostyce (sterowanie procesem starzenia). Obszarem zainteresowania krajowych ośrodków naukowo-badawczych mogą być zarówno dotychczasowe doświadczenia jak i potrzeby technologii active control. Dotychczasowe doświadczenia eksploatacyjne systemu diagnostycznego SNDŁ-1b/SPŁ-2b stanowiły impuls podjęcia w ITWL prac nad optymalizacją warunków pracy turbiny (3 przypadki urwań zmęczeniowych łopatek) i procesu spalania (nagarowanie wywołane zmianą paliwa). W ramach realizowanych prac opracowano m.in. wysokotemperaturowy, mi- [1] Praca zbiorowa: Gas turbine condition monitoring and fault diagnosis. VKI Lecture Series, VKI, Bruksela [2] Praca zbiorowa: Active control of engine dynamics. RTO education notes 20. RTO NATO, Francja, [3] Praca zbiorowa: Collaboration for land, air, sea and space vehicles: Developing the common ground in vehicle dynamics, system identification, control and handling qualities. RTO technical report 61. RTO NATO, Francja 2002 [4] Praca zbiorowa: Active control technology for enhanced performance operational capabilities of military aircraft, land vehicles and sea vehicles. RTO meeting proceeding: MP-051, RTO NATO, Francja, [5] Praca zbiorowa: Recommended practices for monitoring gas turbine engine life consumption. RTO technical report 28. RTO NATO, Francja [6] Praca zbiorowa: Design Principles and method for aircraft gas turbine engines. RTO meeting proceding 8. RTO NATO, Francja, [7] Praca zbiorowa: Planar optical measurement methods for gas turbine components. RTO Lecture series 217. RTO NATO, Francja, Active control technology application in aero-engines Abstract: This paper presents area of interest of NATO leading research and development centres concerning active control of dynamic phenomena. Theoretical problems and examples of application are presented, that cover problems of compressor stall and surge stabilization and damping of selected modes of combustion process. Due to similarity of active control technology and modern diagnostics, possibilities of ideas and solutions from passive control of object s status (identification of effects and results) to active interference into unfavourable operating conditions long before damages occur, will be possible.