Перечень и состав испытаний
Согласно [1] под испытаниями в общем случае понимается процесс экспериментального определения количественных и/или качественных характеристик свойств объекта испытаний при его функционировании в условиях воздействия внешних факторов. Выделяют 9 категорий и 47 видов испытаний, 9 из которых могут проводится для турбодетандеров с использованием автоматизированных средств, классифицируемых:
В соответствии с назначением:
- исследовательские – испытания, проводимые для определения наиболее важных с практической и научной точки зрения характеристик машины;
- сравнительные – испытания аналогичных по характеристикам или одинаковых машин, проводимых в идентичных условиях для сравнения характеристик их свойств;
- определительные – испытания, проводимые для определения значений характеристик машины с заданными значениями показателей точности и/или достоверности;
В соответствии с приемочными процедурами готовой продукции:
- приемо-сдаточные – контрольные испытания машин при приемочном контроле;
- типовые испытания – контрольные испытания производимых машин, проводимые с целью оценки эффективности и целесообразности изменений, вносимых в конструкцию или технологический процесс;
В соответствии с условиями и местом проведения испытаний:
- стендовые – испытания, проводимые на испытательном оборудовании, обеспечивающем воспроизведение условий испытаний;
- эксплуатационные – испытания, проводимые в реальных условиях эксплуатации, обеспечивающие наработку наиболее полного и достоверного объема данных о характеристиках свойств объекта испытаний;
В соответствии с результатом воздействия внешних факторов:
- испытания на прочность отдельных элементов – испытания, проводимые для установления факта сохранения элементами механической прочности в процессе эксплуатации и при незначительном превышении рабочих параметров;
- испытания на устойчивость – испытания, проводимые для установления факта сохранения устойчивости изделия в процессе эксплуатации и при незначительном превышении рабочих параметров;
В соответствии с определяемыми характеристиками объекта – состав и объем испытаний определяется назначением изделия и программой испытаний. Для всех видов предложенных испытаний определены общие целевые характеристики машин, представляющие наибольший научный и практический интерес и требующие контроля:
Изоэнтропный коэффициента полезного действия (КПД), который на этапе расчета и проектирования турбодетандера назначается исходя из опытно-статистических данных об эксплуатации типовой или подобной машины. Степень соответствия значений изоэнтропного КПД, принятого при расчетах, и фактического в большей степени характеризует качество разработанной конструкции, эффективность принятых технических и технологических решений.
Разработка новых турбодетандеров с применением прогрессивных конструкционных материалов, прецизионных средств механической обработки и внедрения алгоритмов CDF-оптимизации требует накопления и систематизации опытных данных об эффективности вновь разработанных машин для уточнения существующих рекомендаций при назначении изоэнтропного КПД в процессе расчета.
Крупные турбодетандеры зачастую оснащены регулируемым сопловым аппаратом (СА), что позволяет динамически подстраивать производительность машины с учетом параметров расширяющегося потока. В этом случае особую ценность представляет не номинальное значение изоэнтропного КПД, приведенное к скоростному коэффициенту, а зависимость варьируемого геометрического параметра, чаще – угла установки сопла (процента открытия сопла, процента вылета зубчатой рейки механического привода СА и пр.).
Определение изоэнтропного КПД в процессе испытаний сопровождается трудностью в обеспечении автомодельности процесса расширения, поскольку присутствуют различия в рабочей среде, ее теплофизических параметрах, расходе и условиях окружающей среды. Условия и критерии автомодельности процесса расширения широко описаны в печатных изданиях для турбодетандеров классических криогенных систем с относительно небольшой производительностью. При этом вопрос достижения автомодельности в условиях перехода от многокомпонентной смеси углеводородов к воздуху или азоту и правомерности такого перехода по существующим методикам является открытым и требует экспериментального исследования.
Устойчивость ротора и рабочих колес. Отечественный опыт разработки криогенных турбодетандеров показывает, что подавляющее большинство машин имеют жесткий ротор (рабочая частота вращения меньше первой собственной частоты) с запасом до первой критической частоты порядка 1,2…1,4. К ним относятся газовые и парожидкостные турбодетандеры, работающие в классических криогенных циклах термостатирования и ожижения с чистыми рабочими веществами (продукты разделения воздуха, водород, неон, гелий и др.). Расчетное определение собственных частот выполняется с составлением принципиальной модели ротора и использованием модуля «роторная динамика» в NX.Nastran, а оценка результатов чаще проводится по диаграммам Кэмпбелла.
С учетом активного развития рынка энергетических ресурсов и возникновения потребности в разработке и производстве крупнотоннажных турбодетандерных агрегатов, работающих на смеси углеводородов в составе нефте- и газоперерабатывающих комбинатов, требуется экспериментальное обоснование устойчивости их роторов и РК. В качестве подвеса ротора в таких машинах используются активные магнитные подшипники, за счет чего отсутствует конструктивная необходимость в развитии центральной части ротора в радиальном направлении, что заведомо приводит к снижению значения первой собственной частоты.
Для крупнотоннажных турбоагрегатов запас до первой критической частоты составляет не более 10 % относительно рабочей. При этом система защиты активного магнитного подвеса препятствует набору частоты в области резонанса. В тоже время диапазон регулирования СА смещен в область большего сечения горла, так, что при расчетном положении сопел процент открытия аппарата находится в пределах 25…35 %. Такое решение позволяет уменьшить частоту вращения ротора ценой снижения общей эффективности машины. Отсюда следует необходимость комплексного анализа эффективности машин во всем доступном диапазоне регулирования, в том числе с определением запаса по устойчивости.
В случае испытаний турбодетандера с гибким ротором (рабочая частота вращения превосходит первую собственную частоту) система нормальной эксплуатации активного магнитного подвеса реализует режимы ускоренного прохождения резонансной зоны, а на этапе проектирования назначаются зазоры большей величины между подвижными и неподвижными элементами машины. Контроль прохождения резонансной зоны сопровождается записью тренда изменения вибрационной характеристики турбоагрегата.
Прочность рабочих колес ограничивает возможность разработки и производства высокооборотных крупнотоннажных турбоагрегатов. Для технологически рациональных конструкционных материалов (алюминиевых сплавов), применяемых при изготовлении рабочих колес (РК), величина окружной скорости ограничена 300…320 м/с. Использование труднообрабатываемых титановых сплавов позволяет достичь величины окружной скорости на уровне 500…520 м/с.
Помимо выбора материала существуют конструктивные решения, повышающие прочность РК, в том числе переменная толщина корня лопаток, установка покрывного диска и др. Для качественной оценки прочности РК и устойчивости ротора турбоагрегата подвергается в процессе испытаний нагрузкам, при которых частота вращения ротора превышает номинальную рабочую на 3…20 % с контролем вибрационной характеристики.
Вибрационная характеристика турбодетандера представляет большой практический интерес, поскольку для каждого элемента машины могут быть выявлены спектральные составлявшие частот, на основе которых возможна разработка система вибродиагностики реального времени для формирования рекомендаций о назначении внепланового технического осмотра и ремонта, принятия корректирующих мер в случае обнаружения неисправности того или иного узла машины. Должным образом в государственных стандартах отражен процесс исследования вибрационных характеристик машин вращательного действия с активными магнитными подшипниками [2, 3].
Для выявления соответствующих зависимостей необходима наработка экспериментальных и эксплуатационных данных для групп машин, в которых используются одинаковые по принципу действия элементы и узлы. Применение нейронного сетевого аппарата при достаточном количестве размеченных данных потенциально может выявить более широкий диапазон признаков изменения технического состояния машины во времени. Пример такой сети для расчета вибрационной характеристики ротора представлен в [4].
Шумовая характеристика турбодетандеров дает качественное представление о техническом состоянии машины, в случае, когда попадание инородного тепла в проточную часть или кавитация приводят к изменению интенсивности или тональности звуковых волн, исходящих из мест возникновения механического трения в машине.
На сегодняшний день общая оценка технического состояния турбодетандеров в составе системы криогенного обеспечения сверхпроводящего комплекса на базе мегапроекта NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility, г. Дубна) осуществляется специалистом посредством акустического контроля через трубку-резонатор органом слуха. Аналогичный принцип, реализованный с использованием средств автоматизации, позволит контролировать и анализировать состояние машины в комплексной системе диагностики в режиме реального времени.
Требования к средствам проведения испытаний
С учетом предложенного перечня испытаний турбодетандеров и актуальных к исследованию характеристик машин можно определить цель, которая должна выполняться при использовании тех или иных средств проведения испытаний, в том числе автоматизированных: сборе, разметке, структурировании, анализе и хранении данных об изменении состояния машины, теплофизических параметров рабочей среды, конструктивных особенностей и пр.
Средство проведения испытаний должно занимать существенную роль в жизненном цикле турбодетандера, поскольку наработанные данные полезны:
- на этапе разработки и проектирования машины, аналогично турбокомпрессорам [5];
- в процессе эксплуатации машины для оценки деградации ее элементов и узлов на основании прямого сравнения с эталонными значениями [6];
- для обучения нейронных сетей контроллера и аппроксиматора в составе дискретного нейронного сетевого регулятора [7];
- для создания агрегированных цифровых двойников турбодетандеров в целях оптимизации криогенных систем в целом [8], а также для VR-тренажеров технических систем [9];
- при верификации численных, аналитических и CFD-методик расчета за счет возможности многократного использования размеченных данных [10];
- при создании и обучении нейронных сетевых аппроксиматоров расчетных методик [4] и CFD-алгоритмов расчета и пр.
В условиях цифровой экономики такое средство должно быть автоматизированным, входить в состав системы управления жизненным циклом изделия PLCM (Product Life-Cycle Management) и удовлетворять следующим требованиям:
- капитальные и временные затраты, а также длительность простоя готовой к отгрузке заказчику машины на испытательной площадке завода-изготовителя должны быть минимальны;
- функциональные возможности средства должны быть ориентированы на проведение испытаний турбодетандеров в широком диапазоне производительности и обеспечивать наработку всех актуальных характеристик машины вне зависимости от ее габаритов, используемого рабочего вещества и пр.;
- архитектура средства должна быть модульной, при этом каждый модуль может быть построен как на базе алгоритмических и численных расчетов, так и на результатах работы нейронных сетей;
- средство должно иметь функциональные возможности для трансляции/передачи наработанных размеченных и структурированных данных в программное обеспечение сторонних разработчиков и поддерживать широкий набор протоколов для передачи этих данных в условиях локальной и глобальной сети;
- по результатам испытаний с использованием средства проведения этих испытаний в автоматическом режиме должен формироваться протокол, содержащий результаты замеров и расчетов всех актуальных характеристик машины, по принятой государственной или отраслевой форме с учетом пресечения несанкционированного внесения изменений в содержание наработанных данных;
- порог вхождения при использовании и внедрении средства должен быть низким, а весь функционал описан и задокументирован в руководствах по эксплуатации.
На сегодняшний день представленные в периодических изданиях и монографиях методики проведения испытаний турбодетандеров в большей степени регламентируют последовательность действий, ориентированных на определение ограниченного набора характеристик турбодетандеров, и не нацелены на комплексное системное исследование машин с наработкой размеченных и структурированных данных с длительным жизненным циклом.
При этом в условиях цифровой экономики создание и внедрение средств автоматизации испытаний с учетом требований, изложенных в настоящей статье, в условиях возникающего спроса на разработку и изготовление отечественных турбодетандеров становится актуальной задачей.
Автор статьи:
Мамедов Владислав Марсельевич, 2024 г.
Список используемых источников
1. ГОСТ 16504-81 Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения.
2. ГОСТ Р ИСО 14839-2-2011 Вибрация. Вибрация машин вращательного действия с активными магнитными подшипниками. Часть 2. Оценка вибрационного состояния.
3. ГОСТ Р ИСО 14839-3-2013 Вибрация. Вибрация машин вращательного действия с активными магнитными подшипниками. Часть 3. Определение запаса устойчивости.
4. Болотов М.А., Печенин В.А., Печенина Е.Ю., Рузанов Н.В. Алгоритм прогнозирования вибрационного состояния ротора турбины с использованием машинного обучения // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2020. Т. 19, № 1. С. 18-27. DOI: 10.18287/2541-7533-2020-19-1-18-27.
5. Галеркин Ю. Б., Рекстин А. Ф., Семеновский В. Б. и др. Развитие подходов и опыт оптимального проектирования центробежных компрессоров турбодетандерных агрегатов // Омский научный вестник. Серия «Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение». 2022. Т. 6. № 2. С. 9-20. DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-2-9-20.
6. Меньшиков С.Н., Кильдияров С.С. Моисеев В.В., Полозов В.Н., Кувытченко Б.Г. Повышение качества ремонта турбодетандерных агргегатов, установленных на бованенковском НГКМ // Газовая промышленность, №3 (773), стр. 28-33.
7. Мамедов В.М., Архаров И.А. Перспективы методов регулирования в инженерных системах // Холодильная техника. 2022. Т. 111, № 4. С. 213–220. DOI: https://doi.org/10.17816/RF321953.
8. Блинов В. Л., Богданец С. В. Цифровые двойники турбомашин: учебное пособие. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2022. 162 с.
9. Мамедов В.М. Разработка интерактивного VR-тренажеров на базе программного обеспечения VR Concept и фреймворка Ionium Collider // International Journal of Open Information Technologies. – 2023. –T. 11, №. 9. – С. 83 91.
10. Клименко Д. В., Тимушев С. Ф., Фирсов В. П. и др. Численное моделирование пульсаций давления в турбодетандере перспективной системы криостатирования // Динамика и виброакустика. 2014. Т. 1. № 2. С. 50-55.