Аналитическая часть

Совершенствование испытательной базы систем автоматического управления авиационными газотурбинными установками (САУ ГТУ) направлено на вытеснение натурных комплексов, как дорогостоящих и неэкономичных, и ориентировано на создание высокоэффективных имитационных компьютерных моделирующих комплексов. Как известно, одним из важных факторов технологической цепи по проектированию и созданию современных САУ ГТУ является проведение стендовых испытаний на передовой испытательной базе, основу которой составляют системы автоматизации испытаний (САИ), реализованные с использованием аппаратно-программных средств современной компьютерной техники.

К настоящему времени значительные усилия исследователей по совершенствованию САИ сосредоточились в области построения управляющих и моделирующих алгоритмов на основе концепции моделирующих динамических стендов.

Регулировка и настройка параметров ГТУ и их САУ производится на специальных стендах. Первоначально большинство операций по обработке измерений, регулировки параметров двигателя выполнялись “вручную”. В дальнейшем для стали использоваться системы автоматического регулирования (САР) параметров двигателя в процессе сдаточных и контрольных испытаний.

Следует выделить два основных способа автоматизации регулирования параметров:

- исходя из результатов, полученных при измерении параметров двигателя и расчета на математической модели, выдаются рекомендуемые величины кодов регулировочных винтов в виде таблицы для последующей их установки и проверки параметров отрегулированного двигателя (автоматический совет оператору по оптимальной настройке характеристик САР);

- автоматическая настройка в ходе испытаний, в этом случае САР параметров агрегата представляет собой систему, состоящую из измерительно-вычислительного комплекса и управляющей системы в виде миниатюрных шаговых двигателей, устанавливаемых на регулировочные винты.

В процессе эксплуатации регулировочные элементы выступают как инструмент обеспечения заданных выходных параметров газотурбинных двигателей (ГТД). При этом целенаправленная регулировка выходных параметров ГТД осуществляется на основе математических моделей, устанавливающих зависимость основных выходных параметров от физических параметров процесса двигателя и регулировочных элементов. При настройке аппаратуры регулирования широко применяется электронная модель ГТД.

Вместе с тем, сложившаяся к настоящему времени практика построения управляющих и моделирующих алгоритмов САИ, ориентирована на испытания САУ авиационных ГТУ и недостаточно учитывает специфику САУ ГТУ, конвертированных для нужд энергетики, для газоперекачки и других версий применения. Сегодня потребность в газотурбинных установках для выработки электроэнергии устойчиво возрастает во всем мире, и по оценкам ведущих экспертов эта тенденция увеличения удельного веса энергетических ГТУ должна сохраниться, по крайней мере, в ближайшие десятилетия.

В России, по оценкам отечественных промышленников, потребность в энергетических установках значительно превосходит потребность в ГТУ для авиации и эта тенденция сохранится в ближайшие десятилетия. На сегодня в Российской Федерации различными предприятиями разрабатывается и эксплуатируется до 20 типоразмеров малых ГТУ мощностью от 1 до 25 МВт, предназначенных для выработки электроэнергии. Малая электроэнергетика России сегодня – это примерно 49 тыс. электростанций (98, 6% от их общего числа) общей мощностью 17 млн. кВт (8% от всей установленной мощности электростанций России), работающих как в энергосистемах, так и автономно. ГТУ на основе авиационных двигателей обладают целым комплексом преимуществ: экономичность, низкая стоимость, быстрые сроки окупаемости, малая удельная масса и габариты, высокие мобильность и приемистость, короткие сроки строительства, детально отработанная технология производства, широкий диапазон климатических условий эксплуатации, практически полная автоматизация управления работой двигателя, высокий КПД использования топлива, возможность работы на разнообразном топливе (керосине, дизельном топливе, природном и попутном газе), минимальные объемы вредных выбросов в окружающую среду.

Решение проблемы состоит в совершенствовании методик автоматизации испытаний и настройки САУ энергетических установок для сокращения времени проектирования САУ, сравнения вариантов САУ, снижения числа ошибок на начальных стадиях проектирования, расширения множества допустимых решений по реализации различных способов и алгоритмов управления САУ. Для этого необходимо создать систему для полунатурных и модельных испытаний ГТУ и САУ ГТУ на базе электронной модели электроэнергетической системы.

В ходе реализации проекта необходимо разработать математическая модель переноса вредных выбросов в атмосферу при испытаниях энергетических установок. Задачи экологической безопасности предполагают научное прогнозирование распределения вредных выбросов в атмосфере. Решение таких задач позволит проводить экологический мониторинг и при техногенных авариях предупреждать население об угрозе поражения, а также возможность принимать организационные меры по ликвидации этих аварий и снижению вредных последствий.

Важным моментом, реализуемым на базе универсальной технологической площадки, является анализ способов создания высоких давлений газа (в том числе альтернативных существующим) для проведения испытаний отдельных изделий (ГПА, ПС-90К и аналогичных перспективных изделий) для Объединенной Двигателестроительной Корпорации и предприятий смежных отраслей. Проблема создания высоких давлений газа от 1, 2 МПа до 4, 5 МПа и выше при испытаниях ГТУ требует применения компрессоров на высокие давления. Применение сжиженного природного газа (СПГ), который при переходе в газообразное состояние увеличивается в объеме в 640 раз, позволит решить эту проблему более надежно без использования сложных в устройстве и дорогостоящих компрессоров. Решение этой задачи позволит испытывать авиадвигатель ПС-90К для нового перспективного самолета, разрабатываемого ОАО «Туполев», ТУ-204К, использующего в качестве топлива СПГ.

В ходе проекта необходимо решить задачу установления феноменологических связей между характеристиками наукоемких изделий и проектными параметрами системы имитации нагрузки. Как показывает практика эксплуатации объектов газотурбинной техники (ГПА, ГТЭС), переходные режимы, связанные с изменением нагрузки, достаточно часто приводят к аварийным ситуациям. Создание технических устройств и разработка алгоритмов, позволяющих имитировать условия изменения нагрузки для объектов газотурбинной техники, позволит поднять качество проектирования и алгоритмизации управления объектов газотурбинной техники. При проектировании технических устройств, имитирующих изменения нагрузки, возможно использовать различные принципы, базирующиеся на использовании гидравлической, пневматической или электромагнитной энергии. На основе требований, сформулированных к устройству варьирования нагрузки, и математических моделей, описывающих их работу, появится возможность принятия объективного решения по выбору принципа и способа реализации устройства имитации нагрузки на валу ГТУ на многоцелевом стенде.

Ключевой задачей проекта является разработка испытательного производства с возможностью обеспечения широкого диапазона давления газа и нагрузок при испытаниях. Создание технологий испытания ГТУ мощностью более 20 МВт и повышение пропускной способности производства.

В части ГТУ для энергетики - повышение конкурентоспособности российских газотурбинных установок для привода генераторов ГТЭС, за счет повышения показателей качества вырабатываемой электроэнергии, расширение рынка сбыта, снятие проблем на комплексное внедрение малой энергетики в жизнь российских регионов. Решение проблем импортозамещения в условиях добычи полезных ископаемых с использованием автономного электроснабжения, в условиях разноотраслевых энергоемких промышленных предприятий, и ТЭЦ городов и поселков, малых населенных пунктов, воинских частей и других объектов военной и гражданской инфраструктуры. Реализация общегосударственной сети мини-электростанций для обеспечения надежности электроснабжения и энергетической безопасности потребителей электроэнергии и общей энергобезопасности страны. Обеспечение экологической безопасности.

Синергетический эффект от внедрения в отрасль многофункциональных испытательных стендов с привязкой к различным версиям применения ГТУ обеспечит стратегический рывок отечественного высокотехнологичного сектора авиационных и ракетно-космических технологий, послужит локомотивом для формирования инновационного пояса малых инновационных компаний по типу «Силиконовой долины» США, послужит важным системным этапом перехода российской экономики на инновационный путь развития.

В настоящее время при проектировании САУ энергетических ГТУ не учитывается или учитывается крайне приближенно САУ электрогенераторов и электроэнергетическая система (ЭЭС) в целом. Проблема усугубляется также тем, что энергетические ГТУ функционируют в составе сложной ЭЭС. В составе электростанции отдельные ГТУ работают параллельно между собой (до 8 и более энергоблоков), при этом они должны обеспечивать различные режимы работы: автономный, параллельный, с преобладанием разнородной по конфигурации и составу электрической нагрузкой.

В связи с проблемной ситуацией по производству ГТУ ГТЭС и ГТУ ГПА, известны многочисленные попытки приспособить ГТУ для работы в ЭЭС за счет применения добавочных устройств как заведомо неэкономичных (поле сопротивлений, отъем избытков мощности), так и считающихся более перспективными (маховик, отъем и последующий возврат мощности). Тем не менее, эти способы вряд ли можно признать удовлетворительными уже потому, что они требуют разработки и внедрения добавочных устройств, ухудшающих массогабаритные показатели энергетического оборудования. Ситуация усложняется тем, что в настоящее время САУ ГТУ зачастую продолжают строиться на основе чисто авиационных прототипов, при этом САУ ГТУ и САУ синхронных генераторов проектируются раздельно и согласование их характеристик происходит лишь на завершающих стадиях разработки ГТЭС и ГПА. Вместе с тем экспертные оценки и исследования показывают, что комплексно решить проблему согласования характеристик ГТУ и ЭЭС возможно, прежде всего, за счет совершенствования САУ ГТУ, потенциал которых в этом приложении в значительной степени недоиспользован.

Таким образом, сегодня налицо противоречие между широкими преимуществами внедрения газотурбинных мини-электростанций, растущим рыночным потенциалом малой энергетики, с одной стороны, и недостаточными показателями качества вырабатываемой электроэнергии по причине недостаточной эффективности САУ ГТУ, – с другой.

С учетом концепции создания единого центра управления жизненным циклом испытаний наукоемких изделий в результате проведения патентных исследований необходимо проследить мировую тенденцию развития следующих основных направлений:

1. Научно-техническое обеспечение испытаний газотурбинных установок различной мощности и различных версий применения.

2. Оценка параметров газогидродинамических потоков с учетом взаимовлияния в динамической системе «поток-конструкция».

3. Моделирование переноса примесей для мониторинга окружающей среды и способы, устройства, позволяющие решать экологические задачи.

4. Создание систем испытания энергетических ГТУ, испытания и настройки САУ энергетических ГТУ на имитационной динамической многорежимной модели электроэнергетической системы (ЭЭС) как компоненты многоцелевого стенда.

5. Способы прогнозирования допустимых режимов проведения многоцелевых испытаний наукоемких газотурбинных установок.

6. Способы и устройства по созданию принципиально новой методологической, информационной и технологической базы универсальных моделирующих комплексов для испытаний и стендовой настройки ГТУ.

7. Технология интеллектуализации испытаний, в т.ч на основе CALS-методологии.

Данный патентный поиск позволит оценить мировые альтернативные технологические решения и подходы, применяемые в производстве аналогичной продукции с указанием преимуществ, которыми обладает предлагаемый проект по сравнению с этими подходами.

В этой связи необходимо отметить, что в последние годы необходимым условием устойчивого положения предприятий отрасли на внутреннем и внешнем рынках является интегрированное применение информационных технологий поддержки всех этапов жизненного цикла продукции. Это обеспечивает сокращение производственного цикла, уменьшение затрат и повышение качества продукции.

На сегодняшний день авиакосмическая отрасль представляет собой единую интегрированную систему высокотехнологичного производства и современной технологии проектирования.

Сформировавшаяся за последние годы современная конкурентная среда двигателестроения предъявляет следующие требования к системам управления предприятием: способность быстрого запуска новых изделий для оперативного заполнения возникающих рыночных ниш; способность оперативного введения конструкторских изменений с учетом требований конкретного заказчика и/или условий эксплуатации.

Для обеспечения конкурентоспособности предприятия-разработчика как на внутреннем, так и на мировом рынке необходимо обеспечить не только высокое качество продукции, но и не менее высокое качество конструкторской документации.

Этого можно добиться только путем перехода на безбумажную технологию (в обозримом будущем) и освоением CALS-технологий.

CALS-технологии (Continuous Acquisition and Life cycle Support – непрерывная информационная поддержка поставок и жизненного цикла) – современный подход к проектированию и производству высокотехнологичной и наукоёмкой продукции, заключающийся в использовании компьютерной техники и современных информационных технологий на всех стадиях жизненного цикла изделия, обеспечивающая единообразные способы управления процессами и взаимодействия всех участников этого цикла: заказчиков продукции, поставщиков/производителей продукции, эксплуатационного и ремонтного персонала, реализованная в соответствии с требованиями системы международных стандартов, регламентирующих правила указанного взаимодействия преимущественно посредством электронного обмена данными.

CALS-технологии объединяют все работы предприятия, начиная с маркетинга, прежде всего, с разработки и подготовки производства, корпоративной системы управления предприятием, и заканчивая послепродажным обслуживанием производимой продукции.