Турбина двигателя: 7 главных заблуждений о турбомоторах: развенчиваем все! — журнал За рулем

  • 10.07.1980

Содержание

7 главных заблуждений о турбомоторах: развенчиваем все! — журнал За рулем

Турбонаддувными двигателями оснащается все больше автомобилей по всему миру. При этом многие наши автолюбители до сих пор остаются во власти предрассудков, считая такие моторы ненадежными. Эксперт «За рулем» утверждает: это давно не так!

Материалы по теме

Все современные турбомоторы — это комбинированные двигатели. Состоит такой мотор из поршневого двигателя внутреннего сгорания, работающего на бензине либо дизельном топливе, и агрегата наддува. Выхлопные газы поршневого двигателя имеют высокие температуру и давление и несут в себе бо́льшую энергию. Эта энергия составляет примерно треть от всей, которую дало сгоревшее топливо. Выхлопные газы вращают центростремительную турбину, которая сидит на одном валу с центробежным компрессором. Компрессор сжимает воздух и подает его в цилиндры. Таким образом, сама идея турбонаддува — это использование энергии выхлопных газов для увеличения количества воздуха, подаваемого в поршневой двигатель.

Миф 1. Турбомотор — это обычный двигатель, к которому добавили турбину

Раньше — да. Сейчас двигатели, на которые устанавливают систему наддува, подвергаются значительным изменениям. Им полагаются усиленные поршни и шатуны, часто другой коленчатый вал. На них устанавливают систему, охлаждающую днища поршней маслом. Дорабатывают головку блока цилиндров: корректируют фазы газораспределения, применяют более жаростойкие материалы в клапанном механизме. Часто усиливают систему охлаждения и многое другое.

Миф 2. У турбомотора всегда есть турбояма

У первых наддувных моторов ухудшение разгонной характеристики действительно наблюдалось. Это происходило из-за инерции ротора турбины на определенных оборотах вращения коленвала, когда от двигателя требуется мощность, а агрегат наддува лишь начал раскручиваться. На современных моторах инерция сильно снижена благодаря уменьшению диаметра роторов турбины. Меньше диаметр — меньше инерция — быстрее раскрутка. А еще современные турбонаддувы обладают большим запасом, и даже на малых оборотах двигателя турбина сполна обеспечивает снабжение воздухом. Чтобы по мере роста оборотов поршневого двигателя турбонаддув не пошел вразнос, часть выхлопных газов перепускают, минуя турбину. Процессом управляет электроника. Это и позволяет получить высокий крутящий момент при небольших оборотах, а далее следует полка крутящего момента, которая так удобна при разгоне. И никакой турбоямы.

Миф 3. Турбомотор жрет топливо

Вовсе нет. Благодаря использованию энергии выхлопных газов наддувные двигатели имеют расход топлива на 20–40% ниже, чем у атмосферных аналогов. Большим расход будет только тогда, когда с мотора снимают полную мощность, нажимая педаль газа до упора.

Миф 4. Двигатели с турбонаддувом — всегда мощные и оборотистые

Материалы по теме

В Японии уже давно и успешно используют автомобили (кейкары) с рабочим объемом двигателя 0,66 л, которые благодаря наддуву развивают 64 л.с. Могли бы и больше, но это законодательное ограничение. В Европе тоже вовсю идет внедрение моторов рабочим объемом около литра, и благодаря наддуву они часто развивают больше 100 л. с.

Для турбодизельных двигателей большие обороты нехарактерны. Уже около трех десятилетий дизельные моторы для автомобилей не разрабатываются без системы турбонаддува. Безнаддувные двигатели на тяжелом топливе имели крайне низкую энерговооруженность и сравнительно высокий расход топлива. У современного дизеля с турбонаддувом все иначе. При этом обороты коленвала не бывают больше 4800 в минуту.

Миф 5. Сломалась турбина — можно ездить и так, пока не накоплю денег на новую

Современный мотор не сможет работать с вышедшим из строя турбонаддувом. Электронный блок управления позволит работать мотору лишь на небольших оборотах и мощности, а также зажжет контрольную лампу «Check engine».

Миф 6. Турбокомпрессоры неремонтопригодны — только менять

Современный агрегат наддува, укрупненно, состоит из четырех узлов: улитка турбины, улитка компрессора, картридж (корпус с подшипниковым узлом и рабочие колеса турбины и компрессора на валу) и модуль регулирования давления наддува. Чаще всего проблемы бывают с картриджем. Этот элемент можно приобрести новым или восстановленным и заменить, как, впрочем, и все остальные компоненты.

Миф 7. Турбомотор требует высокооктанового топлива

Все зависит от политики автопроизводителя. Премиум-сегмент считает ниже своего достоинства рекомендовать октановое число ниже 95. А, например, представленный год назад новый турбонаддувный двигатель с непосредственным впрыском топлива для Geely Atlas адаптирован под 92-й бензин. Благодаря системе непосредственного впрыска граница детонации отодвинута, что и позволяет использовать топливо с более низким октановым числом на турбомоторе.

  • О плюсах и минусах турбомоторов узнайте тут.

Устройство турбины дизельного двигателя


Автомобильные двигатели с турбиной у нас не слишком популярны. Ходит мнение, что они слишком сложны и капризны в работе, слишком требовательны к качеству топлива и слишком дороги в ремонте. Ничего подобного. Сейчас мы сами в этом убедимся и рассмотрим конструкцию простейшего турбодизеля, который устанавливается уже даже на самые бюджетные модели автомобилей.

Содержание:

  1. Для чего турбина дизелю
  2. Как устроен турбонаддув
  3. Конструкция турбины
  4. Ресурс, регулировка и диагностика турбины

Для чего турбина дизелю

Конечно, как и любой другой автомобильный мотор, двигатель с турбиной может тоже иногда ломаться. Но как показывает практика, делает он это не чаще, чем атмосферный мотор при условии правильной эксплуатации и своевременного обслуживания. Для того чтобы самостоятельно определить неисправность турбины, необходимо в общих чертах знать устройство турбины дизельного двигателя.

Принцип её работы, как и устройство, не слишком сложны. Наддув предназначен для того, чтобы искусственным путём повысить наполняемость камеры сгорания рабочей смесью солярки и воздуха. В результате, при том же объёме камеры сгорания и при том же расходе топлива, мощность двигателя на порядок возрастает.

Конструктивно турбонагнетатель выглядит так.

Как устроен турбонаддув

Турбокомпрессор представляет собой воздушный насос, который приводится в движение отработанными выхлопными газами. Он представляет собой две крыльчатки, которые расположены на одной оси и помещённые в корпус. Поток выхлопных газов на высокой скорости проходят через ведущую турбину и заставляют её вращаться, а она в свою очередь, вращает всасывающую турбину с такой же скоростью.

Ось турбокомпрессора может вращаться с частотой до 140 000 оборотов в минуту, а это значит, что лопасти крыльчатки могут развивать огромную скорость, сравнимую со скоростью звука. Компрессор всасывает отфильтрованный воздух, сжимает его и под давлением подаёт во впускной коллектор. Чем больше сжатого воздуха за единицу времени поступит в коллектор, тем больше будет прирост мощности.

Конструкция турбины

Корпус турбины имеет непростую геометрию. Воздух попадает к нагнетателю через спиралевидный канал с постепенно сужающимся диаметром, что в свою очередь также влияет на повышение рабочего давления турбины.

В зависимости от предназначения мотора, конструкция корпуса наддува (улитки) может быть различной. У грузовых автомобилей поток выхлопных газов должен быть разделен во избежание разрушительного резонанса, а в случае разделения потока газов, резонанс используется для более эффективной работы турбины.

Ротор турбины и ось изготовлены из разных материалов, поскольку работают в разных условиях. Процесс изготовления наддува выглядит следующим образом — ось и ротор раскручиваются в противоположном направлении до высокой скорости и во время вращения ротор насаживается на ось. Таким образом получают прочную неразъемную спайку. В конструкции оси есть ещё одна хитрость. В месте усадки ротора она полая, что позволяет затруднить передачу тепла от ротора к оси и улучшить охлаждение сопряжённых элементов. После точной финишной обработки ось балансируется и устанавливается в корпус.

Турбина имеет сложную систему смазки и такую же сложную систему динамических уплотнителей, что и диктует высокую цену турбины в сборе. Они называются динамическими, потому что работают, используя принцип разницы давления в разных частях турбины:

  1. Ось турбины непостоянного диаметра и эти вызывается разница давления, которая препятствует проникновению масла в турбину.

  2. С обеих сторон оси уплотнители установлены в пазах, кроме того, они служат преградой для передачи избыточного тепла на корпус наддува..

  3. Внутренняя геометрия корпуса оси также создаёт препятствие проникновению масла в ротор.

  4. Из корпуса наддува масло вытесняется в полость оси, откуда иго избыток поступает по маслопроводу в систему смазки двигателя.

Ресурс, регулировка и диагностика турбины

Даже поверхностное изучение системы смазки и конструкции турбины уже говорит о том, что это очень требовательный механизм как к качеству масла, так и к правилам эксплуатации. Эти правила просты и понятны, а ресурс турбонаддува может быть не меньше, чем ресурс дизельного двигателя, при условии соблюдения этих условий:

  • использовать только сертифицированное масло и вовремя проводить его замену;

  • не нагружать непрогретый двигатель;

  • перед остановкой мотора необходимо некоторое время дать ему поработать на холостых оборотах;

  • следить за чистотой системы смазки, поскольку засорение маслопровода турбины может существенно сократить её ресурс.

О неисправности наддува могут говорить несколько симптомов, но самый вопиющий из них — невозможность развить полную мощность двигателя и густой чёрный выхлоп. Это говорит о том, что либо засорился воздушный фильтр, либо впускной коллектор потерял герметичность. В случае попадания масла в коллектор через турбину отчётливо виден сизый дым из выхлопной трубы. В этом случае может потребоваться ремонт и чистка наддува.

Таким образом, если соблюдать все правила ухода и эксплуатации наддува, его ресурс может быть вполне сопоставим с ресурсом дизельного мотора. Пусть проблемы с турбиной обойдут ваш мотор стороной и удачных всем дорог!

Читайте также:


Турбина — Что такое Турбина?

Турбина — ротационный двигатель с непрерывным рабочим процессом и вращательным движением рабочего органа

Турбина — ротационный двигатель с непрерывным рабочим процессом и вращательным движением рабочего органа (ротора), преобразующий кинетическую энергию и/или внутреннюю энергию рабочего тела (пара, газа, воды) в механическую работу.


Струя рабочего тела воздействует на лопатки, закреплённые по окружности ротора, и приводит их в движение.
Применяется в качестве привода электрического генератора на тепловых, атомных и гидро электростанциях, как составная часть приводов на морском, наземном и воздушном транспорте, а также гидродинамической передачи, гидронасосах.

Состав турбины

Турбина состоит из 2-х основных частей.
Ротор с лопатками — подвижная часть турбины.

Статор с выравнивающим аппаратом — неподвижная часть.

Виды турбин

По направлению движения потока рабочего тела различают аксиальные паровые турбины, у которых поток рабочего тела движется вдоль оси турбины, и радиальные, направление потока рабочего тела в которых перпендикулярно оси вала турбины.

Центробежные турбины (турбокомпрессоры) также выделяют как отдельный тип турбин.


По числу контуров турбины подразделяют на 1-контурные, 2-контурные и 3-контурные.
Очень редко турбины могут иметь 4 или 5 контуров.

Многоконтурная турбина позволяет использовать большие тепловые перепады энтальпии, разместив большое число ступеней разного давления.


По числу валов различают 1-вальные, 2-вальные, реже 3-вальные, связанных общностью теплового процесса или общей зубчатой передачей (редуктором).


Расположение валов может быть как коаксиальным так и параллельным с независимым расположением осей валов.
В местах прохода вала сквозь стенки корпуса установлены концевые уплотнения для предупреждения утечек рабочего тела наружу и засасывания воздуха в корпус.
На переднем конце вала устанавливается предельный регулятор (регулятор безопасности), автоматически останавливающий (замедляющий) турбину при увеличении частоты вращения на 10-12 % сверх номинальной.

По типу рабочего тела турбины делятся на Газовые турбины, Паровые турбины и Гидротурбины.

Устройство турбины

Для того чтобы увидеть внутреннее устройство турбины, при ее изображении «вырезана» передняя верхняя четверть. Точно также показана лишь задняя часть кожуха 2. Турбина состоит из трех цилиндров (ЦВД, ЦСД и ЦНД), нижние половины корпусов которых обозначены соответственно 39, 24 и18. Каждый из цилиндров состоит из статора, главным элементом которого являются неподвижный корпус, и вращающегося ротора. Отдельные роторы цилиндров (ротор ЦВД 47, ротор ЦСД 5 и ротор ЦНД 11) жестко соединяются муфтами 31 и 21. К полумуфте 12 присоединяется полумуфта ротора электрогенератора (не показан), а к нему — ротор возбудителя. Цепочка из собранных отдельных роторов цилиндров, генератора и возбудителя называется валопроводом. Его длина при большом числе цилиндров (а самое большое их число в современных турбинах — 5) может достигать 80 м.

Валопровод вращается во вкладышах 42, 29, 23, 20 и т.д. опорных подшипников скольжения на тонкой масляной пленке и не касается металлической части вкладышей подшипников. Как правило, каждый из роторов размещают на двух опорных подшипниках. Иногда между роторами ЦВД и ЦСД устанавливают только один общий для них опорный подшипник (см. позицию 29 на рис. 6.1). Расширяющийся в турбине пар заставляет вращаться каждый из роторов, возникающие на них мощности складываются и достигают на полумуфте 12 максимального значения.

К каждому из роторов приложено осевое усилие. Они суммируются, и их результирующая осевая сила передается с гребня 30 на упорные сегменты, установленные в корпусе упорного подшипника.

Каждый из роторов помещают в корпус цилиндра (см., например, поз. 24). При больших давлениях (а в современных турбинах оно может дос­тигать 30 МПа  300 ат) корпус цилиндра (обычно ЦВД) выполняют двухстенным (из внутреннего 35 и внешнего 46 корпусов). Это уменьшает разность давлений на каждый из корпусов, позволяет сделать его стенки более тонкими, облегчает затяжку фланцевых соединений и позволяет турбине при необходимости быстро изменять свою мощность.

Все корпуса в обязательном порядке имеют горизонтальные разъемы 13, необходимые для установки роторов внутри цилиндров при монтаже, а также для легкого доступа внутрь цилиндров при ревизиях и ремонтах. При монтаже турбины все плоскости разъемов нижних половин корпусов устанавливают специальным образом (для простоты можно считать, что все плоскости разъема совмещают в одной горизонтальной плоскости). При последующем монтаже ось валопровода помещают в эту плоскость разъема, что обеспечивает центровку — ось валопровода будет точно совпадать с осью кольцевых расточек корпусов. Этим будут исключены задевания ротора о статор, которые могут привести к тяжелой аварии.

Пар внутри турбины имеет высокую температуру, а ротор вращается во вкладышах на масляной пленке, температура масла которой как по соображениям пожаробезопасности, так и необходимости иметь определенные смазочные свойства, не должна превышать 100 °С (а температура подаваемого и отводимого масла должна быть еще ниже). Поэтому вкладыши подшипников выносят из корпусов цилиндров и размещают их в специальных строениях — опорах (см. поз. 45, 28, 7 на рис. 6.1). Таким образом, вращающиеся концы каждого из роторов соответствующего цилиндра необходимо вывести из невращающегося статора, причем так, чтобы с одной стороны исключить какие-либо (даже малейшие) задевания ротора о статор, а с другой — не допустить значительную утечку пара из цилиндра в зазор между ротором и статором, так как это снижает мощность и экономичность турбины. Поэтому каждый из цилиндров снабжают концевыми уплотнениями (см. поз. 40, 32, 19) специальной конструкции.

Турбина устанавливается в главном корпусе ТЭС на верхней фундаментной плите 36 (см. рис. 2.6). В плите выполняются прямоугольные окна по числу цилиндров, в которых размещаются нижние части корпусов цилиндров, а также осуществляется вывод трубопроводов, питающих регенеративные подогреватели, паропроводы свежего и вторично перегретого пара, переходный патрубок к конденсатору.

После изготовления турбина проходит контрольную сборку и опробование на заводе-изготовителе. После этого ее разбирают на более-менее крупные блоки, доводят до хорошего товарного вида, консервируют, упаковывают в деревянные ящики и отправляют для монтажа на ТЭС.

Монтаж турбины

Монтаж турбины осуществляют в следующем порядке. Сначала устанавливают нижнюю половину ЦНД 18 опорным поясом 15, расположенным по периметру обоих выходных патрубков ЦНД. ЦНД имеет собственные вваренные в них опоры ротора. Затем на перемычке между окнами под ЦВД и ЦСД и слева от окна под ЦВД размещают нижние половины корпусов опор соответственно 28 и 41. После этого на опоры подвешивают нижние половины корпусов наружных цилиндров 39 и 24, в них помещают статорные элементы и осуществляют центровку всех цилиндров турбины.

В опоры ротора вставляются нижние половины опорных вкладышей 42, 29, 23, 20 и 16, и на них опускают отдельные роторы. Их строго прицентровывают друг к другу и соединяют с помощью муфт 31 и 21.

Затем в верхние половины корпусов помещают необходимые внутренние статорные элементы и турбину закрывают. Для этого в отверстия на горизонтальные разъемы корпусов ввинчивают шпильки и опускают верхние половины (крышки — см., например, поз. 46 на рис. 6.1), после чего с помощью шпилек и специальных приспособлений верхние и нижние половины корпусов плотно стягиваются по фланцевым разъемам.

Аналогичным образом закрываются опоры роторов. После изоляции турбины, ограждения кожухом и многочисленных проверок ее доводят для состояния, пригодного к несению нагрузки.

При работе турбины пар из котла (см. рис. 2.2) по одному или нескольким паропроводам (это зависит от мощности турбины) поступает сначала к главной паровой задвижке, затем к стопорному (одному или нескольким) и, наконец, к регулирующим клапанам (чаще всего — 4). От регулирующих клапанов (на рис. 6.1 не показаны) пар по перепускным трубам 1 (на рис. 6.1 их четыре: две из них присоединены к крышке 46 внешнего корпуса ЦВД, а две других подводят пар в нижние половины корпуса) подается в паровпускную камеру 33 внутреннего корпуса ЦВД. Из этой полости пар попадает в проточную часть турбины и, расширяясь, движется к выходной камере ЦВД 38. В этой камере в нижней половине корпуса ЦВД имеются два выходных патрубка 37. К ним приварены паропроводы, направляющие пар в котел для промежуточного перегрева.

Вторично перегретый пар по трубопроводам поступает через стопорный клапан (не показан на рис. 6.1) к регулирующим клапанам 4, а из них — в паровпускную полость ЦСД 26. Далее пар расширяется в проточной части ЦСД и поступает в его выходной патрубок 22, а из него — в две перепускные трубы 6 (иногда их называют ресиверными), которые подают пар в паровпускную камеру ЦНД 9. В отличие от однопоточных ЦВД и ЦСД, ЦНД почти всегда выполняют двухпоточными: попав в камеру 9, пар расходится на два одинаковых потока и, пройдя их, поступает в выходные патрубки ЦНД 14. Из них пар направляется вниз в конденсатор. Перед передней опорой 41 располагается блок регулирования и управления турбиной 44. Его механизм управления 43 позволяет пускать, нагружать, разгружать и останавливать турбину.

О турбонаддуве

Нагнетание воздуха при помощи турбокомпрессора

Мощность, которую может развивать двигатель внутреннего сгорания, зависит от количества воздуха и топлива, которые поступают в двигатель. Таким образом, добиться повышения мощности можно, увеличив количество этих компонентов. Увеличение количества топлива совершенно бессмысленно, если одновременно не увеличивается количество воздуха для его сгорания. Поэтому одним из решений проблемы повышения мощности двигателя является увеличение количества воздуха, поступающего в цилиндры; при этом можно сжечь больше топлива и получить, соответственно, большую энергию. Это подразумевает, что необходимый для сгорания топлива воздух должен быть сжат перед подачей в цилиндры. 

Увеличение мощности атмосферного двигателя может быть достигнуто путём увеличения либо его рабочего объёма, либо оборотов. Увеличение рабочего объёма сразу же увеличивает вес, размеры двигателя и, в конечном итоге, его стоимость. Увеличение оборотов проблематично из-за возникающих при этом технических проблем, особенно в случае двигателя со значительным рабочим объёмом. Технически приемлемым решением проблемы увеличения мощности является использование нагнетателя (компрессора). Это означает, что подающийся в двигатель воздух сжимается перед его впуском в камеру сгорания. 

Турбокомпрессор был впервые сконструирован швейцарским инженером Бюши ещё в 1905 году, но только много лет спустя он был доработан и использован на серийных двигателях с большим рабочим объёмом. В принципе, любой турбокомпрессор состоит из центробежного воздушного насоса и турбины, связанных при помощи общей жесткой оси между собой. Оба этих элемента вращаются в одном направлении и с одинаковой скоростью. Энергия потока отработавших газов, которая в обычных двигателях не используется, преобразуется здесь в крутящий момент, приводящий в действие компрессор. Происходит это так: выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы имеют высокую температуру и давление, они разгоняются до большой скорости и вступают в контакт с лопатками турбины, которая и преобразует их кинетическую энергию в механическую энергию вращения (крутящий момент).


Это преобразование энергии сопровождается снижением температуры газов и их давления. Компрессор засасывает воздух через воздушный фильтр, сжимает его и подает в цилиндры двигателя. Количество топлива, которое можно смешать с воздухом, при этом можно увеличить, что позволяет двигателю развивать большую мощность. Кроме того, улучшается процесс сгорания, что позволяет увеличить характеристики двигателя в широком диапазоне оборотов.

Между двигателем и турбокомпрессором существует связь только через поток отработавших газов. Частота вращения турбокомпрессора напрямую не зависит от числа оборотов двигателя и характеризуется некоторой инерционностью, т.е. сначала увеличивается подача топлива и энергия потока отработавших газов, а затем уже увеличиваются обороты турбины и давление нагнетания, и в цилиндры двигателя поступает ещё больше воздуха, что даёт возможность увеличить подачу топлива. 

Характеристики мотора напрямую зависят от давления наддува: чем больше воздуха удастся загнать в цилиндры, тем мощнее будет двигатель. При определенном стиле вождения появляются и другие плюсы – снижается расход топлива, мотор не боится горных дорог, где обычные двигатели буквально задыхаются от нехватки кислорода в разреженной атмосфере.

Все современные автомобили оснащены системой турбонаддува, которая позволяет повысить мощность двигателя на 20-35% при этом двигатель, оснащенный турбонаддувом, обладает более высоким крутящим моментом на средних и высоких оборотах, что делает автомобиль более динамичным и экономичным при движении. Но при торможении двигателем автомобиль останавливается медленней, за счет пониженной степени сжатия в цилиндрах. Турбина начинает эффективно работать на дизельном авто при 2200-2500 об/мин, на бензиновом при 2800 — 3500 об/мин. Промежуток оборотов двигателя от холостых оборотов до включения турбины называется турбо-яма. Современные системы управления турбиной позволяют минимизировать эффект турбо-ямы.

Показателем эффективности работы турбины является давление наддува, которое на дизельных двигателях обычно достигает до 0.6-0.7 бар а на бензиновых от 0.6-1.0 бар. Качество сгораемого топлива зависит от процентного содержания смеси топливо-воздух и определяет состояние выхлопных газов двигателя.

Все турбонаддувы можно условно разделить на два типа – низкого (0,20 бара) и высокого давления (0,82 бара). Первый, как показала практика, может вообще обходиться без регуляторов. К примеру, на мотор Saab 95 V6 Ecopower Turbo объемом 3,0 л установлена относительно маломощная, поэтому и менее «задумчивая» турбина Garrett. Интересно, что для достижения максимального давления 0,25 бара она использует энергию отработавших газов лишь трех цилиндров из шести. На больших оборотах турбонагнетатель не может как следует разогнаться, что и обеспечивает низкое давление наддува. Электронно управляемая заслонка в этой турбине тут же открывается при любом нажатии на педаль газа. Это позволяет турбине немедленно получать необходимое количество отработавших газов для того, чтобы закачивать в цилиндры больше воздуха. Как только «воздушный насос» раскрутился, заслонка возвращается в положение, соответствующее заданному числу оборотов двигателя. В результате максимальный момент 310 Нм этот мотор выдает при 2100 об/мин.

Но это исключение из правил. Обычно в качестве регуляторов давления в турбодвигателях используют предохранительные клапаны – механические, либо с электронным управлением. Первые открываются избыточным давлением наддуваемого воздуха, вторые имеют исполнительные механизмы, как правило, электромагнитные. Команду открыть-закрыть клапану дает ЭБУ двигателя, руководствуясь информацией целой группы датчиков: давления во впускном коллекторе, детонации, расходомера воздуха и т. д. Первым подобную систему применил Saab в 1981 году.

Давление наддува обычно регулируется с помощью клапанных систем, которые перепускают требуемое количество отработавших газов. Хотя встречаются модели, в которых избыточный воздух сбрасывается прямо под капот, что не совсем выгодно с точки зрения экономичности. Впрочем, и первый способ не идеален, ведь значительное количество отработавших газов не выполняет никаких полезных действий. Вот если бы объединить две турбины в одной! Тогда бы одна использывалась для малых оборотов двигателя, а другая – для максимальных. При этом перепускной клапан использовался бы эпизодически.

Что такое VTG?

Турбонагнетатель с изменяемой геометрией VTG (Variable Turbo Geometry) – это вовсе не турбина с поворотными крыльчатками. Реализовать подобное затруднительно. Но зато ничто не мешает сделать подвижным направляющий аппарат, который в зависимости от нагрузки дозировал бы количество и скорость поступающих на «горячую крыльчатку» отработавших газов. Самый простой вариант использовали в роторном моторе Mazda RX7 в конце 80х. Здесь струя выхлопных газов была разделена на два потока. На малых оборотах они воздействовали только на верхнюю часть турбинного колеса. При достижении определенной частоты вращения коленвала срабатывал клапан, после чего отработавшие газы подавались уже на всю поверхность крыльчаток. Правда, оказалось, что данная система хорошо работала только в паре с роторнопоршневым двигателем Ванкеля.

Более удачной оказалась идея с несколькими поворотными лопатками, закрепленными в специальной обойме. Они регулировали скорость и давление потока отработавших газов в зависимости от режима работы. В грузовых автомобилях первой удачно применила этот метод фирма Mitsubishi в середине 80х, а в легковых – Audi и Volkswagen – фирма Allied Signal (Garrett) в 1995 году. Позже VTG-нагнетатетелями обзавелись легковые дизели BMW и MercedesBenz, а также AlfaRomeo. К слову, нечто подобное устанавливалось на советские танковые дизели с середины 60х.

Но пока, к сожалению, такая система прижилась только на дизельных моторах. Дело в том, что нежный направляющий аппарат теряет подвижность после долгой работы при высоких температурах выхлопных газов. Сравним 1050°С для бензинового двигателя и всего 600°С для дизеля. Кроме того, турбина с переменной геометрией дороже, чем обычная. А ее надежность и долговечность все-таки поменьше. Поэтому в ближайшее время вопрос о том, каким должен быть идеальный наддув, остается открытым. Один из перспективных путей – применение комбинированного наддува. К примеру, на малых оборотах воздух в цилиндры нагнетает приводной компрессор, а уже со средних в дело вступает турбонаддув.

Дизельный насос (ТНВД) имеет турбо-корректор, который подает топливо относительно поступаемого в камеру сгорания воздуха. Такая же коррекция происходит и в инжекторных системах. Окружная скорость вращения вала турбо-корректора достигает 50-70 м/с, что в несколько раз выше скорости движения автомобиля и на порядок выше окружной скорости коленчатого вала, если эти данные перевести в об/мин то ротор турбо-корректора вращается с 150000 — 210000 об/мин а коленвал с 5000-7000 об/мин. При этой скорости малейший дисбаланс превращает ротор в вибратор большего размера, что приводит к механичекому и акустическому шуму, утечке масла через уплотнения и неэффективной работы турбины, а в конечном итоге к заклиниванию вала и обрыву горячей крыльчатки. Вот зачем необходима балансировка вала до сборки турбокомпрессора и после. Особую роль нужно отдать диагностике работы двигателя и топливной системы.

Для проверки эффективности работы турбокомпрессора используется вакуумметр-манометр. Для проверки давления картерных газов используем напоромер. Данный прибор позволяет диагностировать состояние двигателя в целом. Ведь работа турбины на 99% зависит от состояния двигателя, а повышенный расход масла и топлива ошибочно указывает на изношенное состояние турбокомпрессора. Что касается диагностики топливной системы автомобиля, то лучше это сделать на специализированной СТО, но некоторые неисправности очевидны. Так средний пробег распылителей форсунок составляет 100 тыс. км. пробега, работа свечей накала 50 тыс. км., свечей зажигания обычных 25 тыс. км. а платиновых 60 тыс. км. Периодическая профилактическая чистка топливной системы составляет около 25 тыс. км. км пробега. Клиенты к нам обращаются как в плане консультации при покупке автомобиля, так и с просьбой диагностики турбины и двигателя для определения реального состояния цилиндро-поршневой группы и ремонта.

Преимущества турбокомпрессорного двигателя

Двигатель, оснащённый турбокомпрессором, обладает техническими и экономическими преимуществами по сравнению с атмосферным (безнаддувным) двигателем:

  • Соотношение «масса/мощность» у двигателя с турбокомпрессором выше, чем у атмосферного двигателя.
  • Двигатель с турбокомпрессором менее громоздок, чем атмосферный двигатель той же мощности.
  • Кривая крутящего момента двигателя с турбокомпрессором может быть лучше адаптирована к специфическим условиям эксплуатации. При этом, водитель тяжёлого грузовика должен намного реже переключать передачи на горной дороге, и само вождение будет более «мягким». 

Кроме того, можно на базе атмосферных двигателей создавать версии, оснащённые турбокомпрессором и различающиеся по мощности. Ещё более ощутимы преимущества двигателя с турбокомпрессором на высоте. Атмосферный двигатель теряет мощность из-за разрежения воздуха, а турбокомпрессор, обеспечивая повышенную подачу воздуха, компенсирует снижение атмосферного давления, почти не ухудшая характеристики двигателя. Количество нагнетаемого воздуха станет лишь ненамного меньше, чем на более низкой высоте, то есть двигатель практически сохраняет свою обычную мощность. Кроме того:

  • Двигатель с турбокомпрессором обеспечивает лучшее сгорание топлива.Подтверждением тому служит уменьшение потребления топлива грузовиками на больших пробегах.
  • Поскольку турбокомпрессор улучшает сгорание, он также способствует уменьшению токсичности отработавших газов.
Ремонт турбин дизельных двигателей

Турбированный дизельный двигатель с неисправным компрессором теряет от 30 до 60 процентов своей мощности. К сожалению, вывести этот агрегат из строя довольно легко: достаточно несколько раз после холодного пуска дать двигателю высокие обороты. Если к тому же моторное масло не соответствует типу двигателя или засорен фильтр, ремонт турбокомпрессора придется делать почти наверняка.

Рекомендации по эксплуатации автомобиля с турбиной

Очевидно, что классическое обслуживание автомобиля — ещё не гарантия того, что Турбина и двигатель может пройти 500 000 км до капремонта. В регламентное обслуживание необходимо вводить такие работы: очистка топливной системы, диагностика-регулировка топливо-воздушной системы, проверка на загрязнение катализатора в выхлопной системе.

    • При запуске двигателя используйте минимальный газ и не меньше минуты держите двигатель на холостых оборотах. Газовать на двигателе, который лишь несколько секунд назад завелся, значит, заставлять турбину вращаться на высоких скоростях в условиях ограниченной смазки.
    • После больших оборотов и нагрузки двигателя не выключайте зажигание, дайте двигателю поработать на холостых оборотах от 15 до 30секунд (в зависимости от режима работы двигателя). При нагруженном двигателе крыльчатка турбины вращается на очень высоких оборотах. Быстрое же выключение зажигания приводит к прекращению подачи масла в то время когда крыльчатка ещё вращается с большой скоростью…
    • Избегайте длительной работы на холостых оборотах. При этом давление масла в турбине больше, чем воздуха в компрессорной части. Масло может вытекать в улитки и появится сизый дым.
    • Масло, на котором эксплуатируется ваш автомобиль — это действительно самая главная деталь в работоспособности турбонаддува.
Практические советы по обслуживанию, диагностике

Сегодня многие СТО «боятся» автомобилей с турбокомпрессорами. Это происходит из-за нехватки информации с одной стороны и нежелании механиков получать дополнительные знания по автодиагностике. Предлагаем Вам ознакомиться с подходом к турбокомпрессору. Не нужно бояться турбин, нужно технически грамотно представлять процесс проверки турбокомпрессора. 

Если автомобиль нуждается в ремонте, а признаки указывают, что неисправность связана с турбокомпрессором, важно точно установить, поврежден он или нет. Это можно сделать, пользуясь таблицей, приведенной ниже. Если точно установлено, что турбокомпрессор неисправен, нужно обязательно отыскать причину этого. Если её не устранить, новый компрессор, установленный взамен неисправного, тоже выйдет из строя, иногда это происходит в первые же секунды после запуска двигателя.

Методика диагностирования турбокомпрессора на двигателе
  1. Необходимо подсоединиться к системе впускного коллектора с помощью тройника, так как система должна быть герметична.
  2. Произвести запуск двигателя, дать возможность прогреться двигателю до температуры 70°С.
  3. Статическая проверка турбонаддува:
    • на инжекторных автомобилях показания прибора при холостых оборотах должны быть в секторе вакуумирования (левая зелёная зона). На дизельных автомобилях показания прибора колеблются около «0»;
    • для дизельных автомобилей: при холостых оборотах стрелка на приборах находится в «0», при резком и кратковременном нажатии на педаль газа может быть в пределах 0,5 – 0,8 бар при 2200 –3500 об/мин, нагнетание становится эффективным от 2200 об/мин;
    • на инжекторных автомобилях при плавном нажатии на педаль акселератора на оборотах двигателя 2000 об/мин показания прибора достигают 0 – 0,2 бар. При резком нажатии на педаль акселератора показания прибора достигают 0,3 – 0,5 бар, и происходит сброс давления, т.к. двигатель не нагружен. Поэтому инжекторный автомобиль необходимо диагностировать в движении. Эффективность нагнетания происходит от 2800 об/мин двигателя.

4. Динамическая проверка турбонаддува:

    • необходимо вывести прибор в салон автомобиля;
    • произвести измерение на 2-й передаче с максимальным ускорением, при этом показания прибора на инжекторных автомобилях достигают 0,8 – 1,0 бар, а на дизельных – 0,6 – 0,8 бар.

5. После измерения турбонаддува необходимо все соединения вернуть в начальное состояние.

Внимание!!! Если давление турбонаддува для дизеля ниже 0,5 бар, то необходимо уделить серьёзное внимание топливной аппаратуре. Если ниже 0,3 бар при исправном двигателе, то турбокомпрессор требует ремонта. 

Внимание!!! Если давление турбонаддува превышает максимально допустимые параметры, то существует большая вероятность выхода из строя цилиндропоршневой группы (прогар поршня).
Вопреки распространенному мнению, можно починить практически любой компрессор. Однако сам процесс ремонта турбин очень сложен, и кроме опыта требует специального оборудования.

 Сначала агрегат разбирается и проводится тщательная ревизия состояния всех его деталей. После этого делается собственно ремонт турбокомпрессора, для чего применяются лишь фирменные запчасти, а все подшипники и компрессионные кольца заменяются новыми. Затем турбину тщательно балансируют и картридж собирают. Далее на стенде добиваются идеальной балансировки уже самого картриджа, после чего турбину можно устанавливать на двигатель.

Замена турбокомпрессора

При самостоятельной установке турбины следует выполнять приведённые указания:

  1. Проверить сливные маслопроводы, снять и полностью их прочистить. Убедиться в отсутствии вмятин, повреждений, пережатий. Случается, что шланги и резиновые патрубки через некоторое время разбухают изнутри, что затрудняет движение масла. В случае сомнений рекомендуется заменить резиновые части новыми деталями.
  2. Проверить сапун двигателя, снять и полностью очистить его. Нужно следовать тем же указаниям, что и для маслопроводов. Проверить, при необходимости заменить клапаны (если они есть). На сапуне часто устанавливают небольшой конденсатор масла, его также нужно очистить и проверить. Одним словом, давление картерных газов не должно превышать 50 кг/м2.
  3. Пред установкой турбокомпрессора (далее ТКР) заглушить патрубок маслоподачи и слива на ТКР.
  4. Прогреть двигатель до рабочей температуры, произвести замер давления масла в патрубке подачи масла на ТКР ( не менее 0,8 кг/см2 ) на холостых оборотах и (не более 6,5 кг/см2) на максимальных оборотах.
  5. Слить отработанное масло с двигателя.
  6. Произвести замену всех фильтров (масляного, воздушного, топливного). Очистить внутренние полости корпуса воздушного фильтра от инородных частиц и мусора.
  7. Залить масло, соответствующее требованиям завода-изготовителя для данного типа двигателя (смотреть инструкцию по эксплуатации автомобиля).
  8. Произвести чистку и проверить герметичность воздушных патрубков подачи и слива масла (патрубки трубопроводов должны соответствовать требованию завода-изготовителя).
  9. При наличии интеркулера промыть его от остатков масла.
  10. При наличии катализатора в выхлопной системе необходимо проверить сопротивление противовыхлопа (не более 0,2кг/см2 на оборотах).
    При завышенном давлении, или если автомобиль имеет пробег более 100 тыс. км, катализатор нужно заменить или удалить.
  11. Снять заглушку с маслоподающего патрубка. На стартерном режиме произвести прокачивание маслом подающей трубки, слить в ёмкость примерно 100 г масла.
  12. Произвести монтаж ТКР, не подключая патрубки всасывания и наддува воздуха.
  13. Подключить маслоподающую трубку к ТКР.
  14. На стартерном режиме произвести прокачивание масла через ТКР в ёмкость примерно 100 г, контролируя появление масла на сливной трубке.
  15. Подсоединить маслосливную трубку к ТКР.
  16. Запустить двигатель, не пользуясь педалью акселератора. Дать поработать двигателю 5–10 минут на холостых оборотах, при этом контролировать температуру патрубка подачи масла (50–60°С), контролировать герметичность всех соединений.
  17. Увеличить обороты двигателя до 2500/3000 об/мин. При этом отслеживать выброс масла из нагнетающего патрубка улитки ТКР.
  18. Убедившись, что ТКР не выбрасывает через нагнетающий патрубок улитки масло, произвести монтаж воздушных патрубков.
  19. Запустить двигатель, проверить герметичность всех соединений.
  20. Замерить давление во всасывающем тракте после турбины.

Если обнаружены неисправности, конечно же следует их устранить.

С уважением СТО «Ковш»

Автомобильная электротурбина / Хабр

Наиболее действенным способом увеличения мощности двигателя автомобиля является турбина. Однако она имеет ряд существенных недостатков таких как: наличие турбоямы, оптимальная работа в небольшом диапазоне оборотов двигателя, невысокий ресурс, сложность установки в неподготовленный для этого двигатель.

Многие из этих проблем способна решить электротурбина. С электротурбиной необходимое давление наддува можно создать в любой момент и можно сбавлять обороты не боясь, что давление понизится. В электротурбине нет горячей части разогреваемой до тысячи градусов. Это положительно сказывается на её ресурсе, цене и простоте установки.

Данная статья будет посвящена нашей разработке в этом направлении.



Разработка и конструктивные особенности

На данный момент в Китае можно купить множество электротурбин, которые ставятся прямо на вход перед воздушным фильтром. Однако они оказываются на 100% бесполезны. Для обеспечения необходимого давления и большого объема подаваемого воздуха мощность электродвигателя должна составлять около 4КВт. У китайских турбин от силы несколько сот ватт.

Для данной задачи нами специально был разработан бесколлекторный электромотор способный выдать до 5КВт мощности и который может раскрутить турбину до 50000RPM. Мотор был специально спроектирован так, чтобы на полной мощности он давал своё максимальный КПД в 93%, тогда он будет выделять 350Вт тепла, которые вполне реально отводить и в теории наш мотор может выдавать полный наддув постоянно. Подробнее с характеристиками нашего мотора можно ознакомиться по ссылке.

Для питания данного мотора нами было решено использовать два автомобильных аккумулятора. Это сильно упростит процесс эксплуатации и цену установки. Один аккумулятор используется штатный, второй подключается к нему последовательно. Для подзарядки второго аккумулятора, он переподключается к первому через высокоточные реле контакторы. Литиевые аккумуляторы стоили бы на порядок дороже, при этом для них понадобилась бы специальная зарядка и очень бережная эксплуатация с соблюдением правильного температурного режима.

Однако у данного решения есть и минус. Для питания мотора на полной мощности нужен ток в районе 250А, свинцовые аккумуляторы способны выдать такой, но не продолжительно(секунд на 10-30). Затем аккумуляторам нужно будет немного “отдохнуть”. Однако нам кажется этого вполне достаточно, редко от двигателя требуется полная мощность на более длительный срок.

В качестве самой турбины нами использовалась данная турбина (её характеристики также доступны по ссылке).

Мы удалили из неё всё лишнее и расточили под крепление мотора. Все подшипники находятся непосредственно в моторе и крыльчатка одевается на его вал, что автоматически даёт соосность вала мотора и крыльчатки. Поскольку турбина будет вращаться на очень больших оборотах мы подобрали в мотор высокоскоростные подшипники SKF итальянского производства.

Для работы бесколлекторного мотора нужен контроллер и на такой большой ток он достаточно дорогой. Однако мы специально подбирали токи и напряжения так, чтобы для этой задачи подошёл наиболее мощный из дешевых контроллер стоимостью 1500р. Данного контроллера хватает на грани на полную мощность и ему при этом требуется обеспечить очень хорошее охлаждение. Более мощные контроллеры стоят уже дороже 10000р.

Результат

Замеры нашего мотора на мощности до 1000Вт показали, что характеристики нашего мотора (потребление, обороты, Kv) достаточно близки к рассчитанным при моделировании. Большой объем статора и медной проволоки смогли обеспечить высокий КПД и низкий нагрев. При должном питании турбина с ним разгоняется до нужных оборотов. Но к сожалению мы пока не смогли провести полноценные испытания на полной мощности. При питании от двух аккумуляторов, через 2 секунды после набора полных оборотов контроллер сгорел, из-за отсутствия должного охлаждения. Мы заказали новый контроллер и планируем поместить его в ёмкость с трансформаторным маслом, что должно обеспечить его наилучшим охлаждением.

Видео тестов работы турбины с питанием 600 и 1000 ватт
Вывод

В итоге нам удалось создать рабочую электротурбину, которая обладает не высокой стоимостью и достаточно проста в установке. Далее будут проходить испытания уже на реальном автомобиле.

Примерная стоимость необходимых компонентов:

  • Мотор -17000р
  • Турбина -20000р
  • Аккумулятор -3000р
  • 4 реле -3000р
  • Дополнительная электроника, пайпы, воздуховоды -5000р

Итого стоимость комплекта турбины выйдет в районе 50000р.

P.S.
Автором данной идеи является Frimen3 ([email protected]). Он уже давно занимается проработкой этого вопроса geektimes.ru/post/252076 и он как раз и заказал у нас разработку мотора под данную задачу.

Сломалась турбина на двигателе – причины и устранение неполадки

  • Блог
  • Характеристики
  • История
  • Сравнения
  • Спецификации
    • Расход топлива
    • Объем двигателя
    • Выбросы вредных веществ
    • Крутящий момент
    • Мощность
  • Размеры
    • Габаритные размеры
    • Объём топливного бака
    • Объём багажника
  • Запчасти
    • Колеса
    • Размеры шин и дисков
    • Размеры колесных болтов
    • Вентиляторы и радиаторы
    • Какой вентилятор кондиционера
    • Какой вентилятор радиатора
    • Теплообменник отопления салона
    • Какой интеркулер
    • Какой радиатор
    • Другое
    • Какой ремень ГРМ
    • Размеры щеток стеклоочистителей
    • Какой аккумулятор
    • Фильтры
    • Какой воздушный фильтр
    • Какой масляный фильтр
    • Какой салонный фильтр
    • Какой топливный фильтр
    • Жидкости
    • Какое масло в двигатель
    • Какое масло в коробку передач
    • Какой антифриз в радиатор
    • Тормоза
    • Какую тормозную жидкость
    • Какие тормозные диски
    • Какие тормозные барабаны
    • Какие тормозные колодки
    • Лампы
    • Какие лампы в туманках
    • Какие лампы в фарах
    • Какие лампы в поворотниках
    • Какие лампы для подсветки номера
    • Какие лампы в габаритах
    • Какие лампы в задних туманках
    • Какие лампы в фарах заднего хода
    • Какие лампы в стоп сигналах

Что такое турбинный двигатель?

Газотурбинный двигатель — это специально разработанная машина, которую часто называют «Газовая турбина ». В некоторых случаях он обозначается как « Турбина внутреннего сгорания ».

Этот тип двигателя часто классифицируют как «Двигатель внутреннего сгорания» из-за того, что сгорание с участием топлива агрегата происходит при смешивании с ним особого типа окислителя в тщательно спроектированной камере сгорания.Эта камера считается очень важной частью схемы, обеспечивающей функциональность двигателя в целом.

Некоторые из наиболее важных частей газотурбинного двигателя включают вращающийся компрессор, который течет вверх по потоку, турбину, которая течет вниз по потоку, и вышеупомянутую камеру сгорания. Как и большинство двигателей в современном мире, газотурбинный двигатель представляет собой особый тип машинного агрегата, способный успешно преобразовывать энергию в тип механического движения с целью обеспечения мощности и/или функциональности. к специальным устройствам, таким как вертолеты, относительно небольшие силовые установки, реактивные самолеты и танки.

Чтобы запросить дополнительную информацию о компании Aviation & Marketing International , нажмите здесь!

Как работает газотурбинный двигатель?

В газотурбинном двигателе энергия создается и добавляется в поток газа, который присутствует внутри компонента двигателя, известного как « Камера сгорания ». Именно в этой области происходит тщательное перемешивание компонентов воздуха и топлива. Когда эта смесь успешна, она воспламеняется.

Слишком высокое давление в камере сгорания.В результате топливо подвергается более высоким уровням сгорания, а общая температура деталей газотурбинного двигателя резко возрастает.

Как только температура в двигателе повышается, смесь нагнетается в так называемую « секцию турбины ». Именно в этот момент поток газа начинает двигаться в больших объемах и с исключительно высокой скоростью. Затем он перемещается к специально разработанному соплу, которое выбрасывает жидкую смесь через лопасти, расположенные на двигателе.Эти специальные детали газотурбинного двигателя затем вращаются, что приводит к передаче мощности на компрессор. В конце концов давление газа, выбрасываемого из выхлопных газов, и общая температура газотурбинного двигателя снижаются.

Чем отличаются газотурбинные двигатели от стандартных двигателей?

По сравнению со стандартным двигателем, который приводится в действие с помощью поршней специальной конструкции, газотурбинный двигатель считается исключительно простым в эксплуатации, хотя и более мощным по выходной мощности.Он считается более простым, поскольку из всех частей двигателя есть только одна основная часть, которая считается движущейся частью и находится в секции, которая управляет преобразованием мощности агрегата. Поршневые двигатели, с другой стороны, включают в себя десятки отдельных движущихся частей и элементов.

При оценке деталей газотурбинного двигателя вы заметите, что он имеет компонент центрального вала, который включает в себя турбину специальной конструкции на конце, выбрасывающем выхлоп, и вентилятор специальной конструкции, отвечающий за сжатие двигателя на конце, на который ссылаются механики. как « Впуск ».

Преимущества газотурбинного двигателя    

По словам механиков и специалистов по газотурбинным двигателям, этот конкретный двигатель обладает многочисленными преимуществами. К ним относятся, но не ограничиваются следующим:

  • Эти двигатели разработаны для оптимальной работы при более низком давлении во время работы.
  • Детали двигателя считаются оптимальными для работы на высотах, которые считаются большими. Вот почему многие типы самолетов используют эти двигатели.
  • Скорости двигателей могут работать на более высоких скоростях, чем стандартные двигатели с поршневым управлением.
  • С этими двигателями связано гораздо меньше компонентов, что означает, что их легче обслуживать и ремонтировать.
  • Детали двигателя, содержащиеся в этих типах двигателей, имеют более высокий уровень успеха, когда речь идет о внутренней смазке.
  • Турбинные двигатели
  • способны выдерживать большой вес, обеспечивая при этом высокую мощность транспортных средств и судов, на которых они используются.

КОГДА ВЫ ДУМАЕТЕ

TFE731
ДУМАЕТЕ АМИ

В Aviation & Marketing International мы храним один из самых больших вариантов деталей газотурбинного двигателя TFE731 . Имея на складе более 60 000 деталей, мы можем с гордостью сказать, что мы являемся универсальным магазином для всех ваших деталей, технического обслуживания и обслуживания TFE731 . Хотя вероятность того, что у нас не будет нужных вам деталей, невелика, если случайно у нас их нет, мы полностью способны передать вам эту конкретную деталь двигателя TFE731 , что сэкономит вам время и нервы.
ПОИСК ЗАПЧАСТЕЙ TFE731

Использование газотурбинного двигателя

В настоящее время в транспортных средствах и судах используется множество газотурбинных двигателей. Ниже приведены некоторые примеры транспортных средств и/или судов с газотурбинным двигателем:

Турбинные двигатели считаются исключительно популярными среди производителей крупных транспортных средств и/или судов. Эти двигатели популярны из-за их упрощенной конструкции и чрезмерного отношения мощности к весу.Детали газотурбинного двигателя помогают оптимизировать массовый расход воздуха агрегата, повышая давление и/или сгорание в системе, регулируют как внутреннюю, так и внешнюю температуру, связанную с двигателями, а затем помогают повысить общую эффективность, связанную с работой. двигателя.

Благодаря этим фактам двигатель считается оптимальным выбором для приведения в действие тяжелых судов и транспортных средств, требующих массового количества энергии.

Хотите купить турбинный двигатель TFE731? Проверьте наш инвентарь!

Газотурбинный двигатель модели 502

Boeing был крупным производителем малых газотурбинных двигателей в 1950-х и 1960-х годах.Двигатели представляли собой одно из основных усилий компании по расширению своей продуктовой базы за пределы военных самолетов после Второй мировой войны.

Разработка бензинового газотурбинного двигателя началась в 1943 году, первые двигатели развивали мощность около 160 л.с. Затем Боинг сосредоточил большую часть своих усилий на двухвальном газотурбинном двигателе, который компания произвела в 1947 году. В этом типе выходной вал и трансмиссия были отделены от самого двигателя.

Газовый двигатель мощностью 175 лошадиных сил, разработанный компанией Boeing, был испытан на грузовике Kenworth в 1950 году.Затем двигатель был испытан на катерах ВМС США на озере Вашингтон, недалеко от Сиэтла. К 1960-м годам двигатель выдавал около 500 лошадиных сил.

Двигатели

Boeing имели преимущества в отношении веса, крутящего момента, надежности, простоты и легкости запуска. В основном они использовались для выработки электроэнергии и силовой установки тральщиков, стартеров сжатого воздуха для самолетов, повышения мощности военных танков и питания противолодочных беспилотных вертолетов. Более поздние модели получили обозначения 520, 540, 551 и 553.

Boeing построил 2461 двигатель до прекращения производства в апреле 1968 года.Многие применения газотурбинных двигателей Boeing считались первыми, в том числе первый вертолет с турбинным двигателем и лодка. Более 746 радиоуправляемых беспилотников QH-50C/D с турбинами Boeing T-50 были построены для программы противолодочных вертолетов ВМФ в 1960-х годах. Более 300 турбин Boeing 551 и 553 приводили в действие шведские боевые бронированные машины.

В 1966 году несколько крупных программ конкурировали за ограниченные ресурсы компании, и было принято решение не продолжать заниматься производством газотурбинных двигателей.Хотя ограниченное производство для выполнения контрактных обязательств продолжалось до 1968 года, большая часть ресурсов и инженеров подразделения была переведена на другие программы, в частности на разработку гигантского реактивного лайнера 747. Небольшая годовая прибыль Турбинного подразделения была ничтожно мала из-за обещания равной суммы от продажи каждого 747.

3 Авиационные газотурбинные двигатели | Исследование двигателей коммерческих самолетов и энергетических систем: сокращение глобальных выбросов углерода

будущее.Кроме того, общее отношение давлений 2 газовых турбин со временем увеличилось для улучшения термодинамического КПД. В то же время, однако, размер компрессора высокого давления, камеры сгорания и турбины уменьшился, что усугубляет проблемы меньшего размера.

По мере повышения эффективности самолета и двигателя для полета требуется меньше мощности, поэтому размер двигателя и мощность, требуемые при постоянной мощности самолета, в будущем будут уменьшаться.

Потенциал для улучшения

С тех пор, как в конце 1940-х годов были построены первые авиационные газовые турбины, общий КПД (от расхода топлива до тяговой мощности) повысился примерно с 10 % до нынешнего значения, приблизившись к 40 % (см. рис. 3.2). Вполне вероятно, что скорость совершенствования этих двигателей может продолжаться на уровне около 7 процентов за десятилетие в течение следующих нескольких десятилетий при условии достаточных инвестиций в технологии. Потенциал общего улучшения лучше всего рассматривать с точки зрения составляющих КПД: термодинамического КПД двигателя и тягового КПД движителя.

Как отмечалось выше, неясно, насколько близко к теоретическим пределам можно будет использовать газовую турбину для коммерческих самолетов, учитывая важные ограничения авиации по безопасности, весу, надежности и стоимости.Несколько авторов рассмотрели вопрос о практических ограничениях для газовых турбин простого цикла, учитывая потенциал для новых материалов, архитектур двигателей и технологий компонентов. Их оценки отдельных пределов термодинамического и тягового КПД несколько различаются (и могут по-разному распределять потери между термодинамическим и тяговым КПД), но они согласны с тем, что улучшение общего КПД на 30-35 процентов по сравнению с лучшими двигателями сегодня может быть достижимо.Как показано на рис. 3.7, термодинамический КПД двигателя может составлять 65–70 %, а КПД тяги — 90–95 %.

Газотурбинные двигатели имеют значительные возможности для усовершенствования: общий КПД повышается на 30 и более процентов по сравнению с лучшими двигателями, эксплуатируемыми сегодня. Улучшения будут происходить за счет множества относительно небольших приращений, а не одной прорывной технологии.

Некоторые исследования показывают, что улучшение характеристик турбомашин и снижение потерь при охлаждении могут повысить термодинамическую эффективность на 19 и 6 процентов соответственно. 3 Такого масштаба прироста нельзя добиться простым внедрением новых технологий в существующие двигатели. Скорее, это требует оптимизации цикла с учетом конкретных уровней рабочих характеристик компонентов, температурных возможностей и охлаждения. Практические циклы промежуточного охлаждения или рекуперации могут повысить эффективность еще на 4. 4 Усовершенствованные вентиляторы и гребные винты также могут повысить эффективность тяги на 10 процентов. 5 Конечно, практические ограничения эффективности движения не могут быть рассмотрены только на уровне двигателя без ссылки на конфигурацию самолета и интеграцию силовой установки, как обсуждалось в главе 2.

Подводя итог, можно сказать, что авиационные газотурбинные двигатели имеют значительные возможности для улучшения, с потенциалом повышения общего КПД на 30 и более процентов по сравнению с лучшими двигателями, эксплуатируемыми сегодня, при этом потенциал повышения тягового КПД примерно вдвое превышает термодинамический КПД. Этот уровень производительности потребует множества технологических улучшений и будет реализован в виде ряда относительно небольших приращений, на несколько процентов или меньше, а не за счет одной прорывной технологии.В следующем разделе обсуждаются многие из этих технологий.

___________________

2 Коэффициент общего давления представляет собой отношение давления на выходе компрессора к давлению на входе компрессора.

3 Д.К. Hall, 2011, «Пределы производительности ступеней осевых турбомашин», М.С. диссертация, Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс,

4 Дж. Вурр, 2013 г., «Архитектуры и технологии гражданских авиадвигателей будущего», представленный на 10-й Европейской конференции по турбомашиностроению, http://www.etc10.eu/mat/Whurr.pdf.

5 Д. Карлсон, 2009 г., «Ренессанс двигателей: новые циклы, новые архитектуры и возможности для развития рабочей силы», представленный на 19-й конференции Международного общества двигателей с воздушным дыханием ISABE, Монреаль, Канада.

Монокристаллическая лопатка турбины реактивного двигателя — Материалы — Библиотека материалов

Добавить к выбору Добавить к выбору

Материалы > Монокристаллическая лопатка турбины реактивного двигателя

Лопасти турбины реактивного двигателя должны быть чрезвычайно прочными, чтобы выдерживать нагрузки, которым они подвергаются во время работы двигателя.Наряду с огромными механическими нагрузками, которые они испытывают, им необходимо выдерживать чрезвычайно высокие температуры. Излишне говорить, что выход из строя такой детали в самолете может иметь катастрофические последствия. Эта лопатка турбины имеет две отличительные особенности материала. Во-первых, он изготовлен из суперсплава, обладающего превосходной механической прочностью и сопротивлением ползучести при высоких температурах, хорошей стойкостью к коррозии и окислению по сравнению с обычными металлами и сплавами. Во-вторых, он изготовлен из цельного металлического кристалла, структура которого придает лезвию выдающуюся прочность при высоких температурах.Большинство объемных металлов не являются одним большим кристаллом: они состоят из множества крошечных кристаллитов, называемых зернами. Границы между этими зернами, как правило, повышают прочность металла, однако при высоких температурах они обеспечивают возможность деформации металла с течением времени (называемую ползучестью). Создание лопатки турбины в виде монокристалла означает, что она не имеет границ зерен, и поэтому она по своей природе прочнее при высоких температурах, чем поликристаллические металлы. Именно это свойство позволило турбореактивным двигателям надежно работать при очень высоких температурах, что повышает эффективность и безопасность двигателя.Современные газотурбинные реактивные двигатели являются более эффективными двигателями на планете.

Идентификатор образца: 316

Галерея

Особенности

Пожертвовано
Имперский колледж Лондона
Выбор
Категории
Металл
Любопытство
Отношения

Реактивные двигатели

Базовый обзор


На изображении выше показано, как реактивный двигатель будет расположен в современном военный самолет.В базовом реактивном двигателе воздух поступает в передний воздухозаборник и сжимается (мы увидим, как позже). Затем воздух нагнетается камеры сгорания, в которых впрыскивается топливо, а смесь воздуха и топливо воспламеняется. Образующиеся газы быстро расширяются и истощаются. через заднюю часть камеры сгорания. Эти газы действуют с одинаковой силой во всех направлениях, обеспечивая тягу вперед, когда они уходят в тыл. Так как газы покидают двигатель, они проходят через веерообразный набор лопастей (турбина), которая вращает вал, называемый валом турбины.Этот вал, в очередь, вращает компрессор, тем самым обеспечивая подачу свежего воздуха через впуск. Ниже представлена ​​анимация изолированного реактивного двигателя, который иллюстрирует процесс притока воздуха, сжатия, горения, оттока воздуха и только что описанное вращение вала.

процесс можно описать следующей схемой, взятой с сайта Rolls Royce, известного производителя реактивных двигателей.


Этот процесс лежит в основе работы реактивных двигателей, но как именно происходит что-то вроде сжатия (сдавливания)? Чтобы узнать больше о каждом о четырех шагах создания тяги реактивным двигателем см. ниже.

Всасывание

Двигатель всасывает большой объем воздуха через вентилятор и компрессор этапы. Типичный коммерческий реактивный двигатель потребляет 1,2 тонны воздуха в секунду. во время взлета — иными словами, он мог выпустить воздух на корте для сквоша в меньше секунды. Механизм которым реактивный двигатель всасывает воздух, в значительной степени является частью сжатия сцена. Во многих двигателях Компрессор отвечает как за всасывание воздуха, так и за его сжатие.Некоторые двигатели имеют дополнительный вентилятор, не является частью компрессора для подачи дополнительного воздуха в систему. Вентилятор — крайний левый компонент двигатель показан выше.


ВЫЖИМ

Помимо подачи воздуха в двигатель, компрессор также создает давление в воздуха и подает его в камеру сгорания. Компрессор показан на изображении выше слева от огонь в камере сгорания и справа от вентилятора.Компрессионные вентиляторы приводятся в действие от турбина валом (турбина, в свою очередь, приводится в движение воздухом, выходя из двигателя). Компрессоры могут достигать избыточной степени сжатия 40:1, что означает, что давление воздуха в конце компрессора более чем в 40 раз больше воздуха, поступающего в компрессор. На полной мощности лопасти типичного коммерческий реактивный компрессор вращается со скоростью 1000 миль в час (1600 км / ч) и потребляет 2600 фунтов (1200 кг) воздуха в секунду.

Сейчас мы обсудим, как компрессор на самом деле сжимает воздух.


Как видно на изображении выше, зеленые вентиляторы, составляющие компрессор постепенно становится все меньше и меньше, как и полость через которые должен пройти воздух. Воздух должны продолжать двигаться вправо, в сторону камер сгорания двигатель, так как вентиляторы вращаются и толкают воздух в этом направлении. Результат — заданное количество воздуха переходя из большего пространства в меньшее и тем самым увеличивая давление.


BANG

В камере сгорания топливо смешивается с воздухом для создания взрыва, который отвечает за расширение, которое нагнетает воздух в турбину.Внутри типичного коммерческого реактивного двигателя топливо сгорает при сгорании. камере до 2000 градусов по Цельсию. Температура, при которой металлы эта часть двигателя начинает плавиться при температуре 1300 градусов по Цельсию, поэтому продвинутая необходимо использовать методы охлаждения.

Горение камера имеет сложную задачу сжигания большого количества топлива, подается через топливные форсунки с большими объемами воздуха, подаваемый компрессором, и выделяя полученное тепло таким образом что воздух расширяется и ускоряется, чтобы дать плавный поток равномерно нагретый газ.Эта задача должна быть выполнена с минимальными потерями под давлением и с максимальным тепловыделением в ограниченном пространстве доступный.

Количество топлива добавление в воздух будет зависеть от требуемого повышения температуры. Однако, максимальная температура ограничена определенным диапазоном, определяемым материалы, из которых изготовлены лопатки турбины и сопла. Воздух имеет уже был нагрет до температуры от 200 до 550 C за счет работы, проделанной в компрессор, обеспечивающий повышение температуры примерно от 650 до 1150 C от процесса горения.Так как температура газа определяет тягу двигателя, камера сгорания должна быть способна поддержание стабильного и эффективного сгорания в широком диапазоне двигателей условия эксплуатации.

Воздух, занесенный вентилятор, который не проходит через сердцевину двигателя и, следовательно, не используется для сжигания, что составляет около 60 процентов от общего поток воздуха постепенно вводится в жаровую трубу, чтобы снизить температуру внутри камеры сгорания и охладить стенки жаровой трубы.


УДАР

Реакция расширенного газа – смеси топлива и воздуха – нагнетания через турбину, приводит в действие вентилятор и компрессор и выдувает из выхлопное сопло, обеспечивающее тягу.

Таким образом, перед турбиной стоит задача обеспечения мощности для привода компрессор и аксессуары. Это делает это, извлекая энергию из горячих газов, выбрасываемых из системы сгорания и расширения их до более низкого давления и температуры.Непрерывный поток газа, к которому подвергается воздействию турбины, может попасть в турбину при температуре от 850 до 1700 C, что снова намного выше температуры плавления тока технологии материалов.

Для производства вращающий момент, турбина может состоять из нескольких ступеней, каждая из которых использует один ряд подвижных лопастей и один ряд неподвижных направляющих лопаток для направления воздух по желанию на лопасти. Количество этапов зависит от зависимость между мощностью, требуемой от газового потока, вращательным скорость, с которой он должен производиться, и допустимый диаметр турбины.

Желание для обеспечения высокой эффективности двигателя требуется высокая температура на входе в турбину, но это вызывает проблемы, так как лопасти турбины потребуются для работы и выдерживают длительные периоды эксплуатации при температурах выше их плавления точка. Эти лезвия, раскаленные докрасна, должны быть достаточно прочными, чтобы нести центробежные нагрузки из-за вращения на высокой скорости.

Для работы в этих условиях холодный воздух вытесняется из множества небольших отверстия в лезвии.Этот воздух остается близко к лезвию, предотвращая его плавится, но существенно не ухудшает общий вид двигателя представление. Никелевые сплавы используются для изготовления лопаток турбины и направляющие лопатки сопла, поскольку эти материалы демонстрируют хорошие свойства при высокие температуры

 

Турбинные двигатели (часть первая)

Авиационный газотурбинный двигатель состоит из воздухозаборника, компрессора, камер сгорания, турбинной секции и выхлопной трубы.Тяга создается за счет увеличения скорости воздуха, проходящего через двигатель. Турбинные двигатели — очень желательные авиационные силовые установки. Они отличаются плавностью хода, высокой удельной мощностью и используют легкодоступное реактивное топливо. До недавних достижений в области материалов, конструкции двигателей и производственных процессов использование газотурбинных двигателей в небольших / легких серийных самолетах было непомерно дорогим.

 

В настоящее время несколько авиапроизводителей производят или планируют производить небольшие/легкие самолеты с газотурбинным двигателем.Эти небольшие самолеты с турбинным двигателем обычно вмещают от трех до семи пассажиров и называются очень легкими реактивными самолетами (VLJ) или микрореактивными двигателями. [Рис. 7-22]

Рис. 7-22. Эклипс 500 ВЛЖ.

Типы газотурбинных двигателей

Газотурбинные двигатели классифицируются по типу используемых в них компрессоров. Компрессоры бывают трех типов: центробежные, осевые и центробежно-осевые. Сжатие впускного воздуха достигается в центробежном двигателе за счет ускорения воздуха наружу перпендикулярно продольной оси машины.Осевой двигатель сжимает воздух за счет ряда вращающихся и неподвижных аэродинамических профилей, перемещающих воздух параллельно продольной оси. В конструкции с центробежно-осевым потоком используются оба типа компрессоров для достижения желаемой степени сжатия.

Путь, который проходит воздух через двигатель, и то, как вырабатывается мощность, определяют тип двигателя. Существует четыре типа авиационных газотурбинных двигателей: турбореактивные, турбовинтовые, турбовентиляторные и турбовальные.

Рекомендации по летной грамотности Справочник Рода Мачадо «Как летать на самолете» . Изучите основные принципы управления любым самолетом.Сделайте летную подготовку проще, дешевле и приятнее. Освойте все маневры чекрайда. Изучите философию полета «палка и руль направления». Не допускайте случайного сваливания или вращения самолета. Посадите самолет быстро и с удовольствием.

Турбореактивный двигатель

Турбореактивный двигатель состоит из четырех секций — компрессора, камеры сгорания, турбинной секции и выхлопной. Секция компрессора пропускает входящий воздух с высокой скоростью в камеру сгорания.Камера сгорания содержит впускное отверстие для топлива и воспламенитель для сжигания. Расширяющийся воздух приводит в движение турбину, соединенную валом с компрессором, поддерживая работу двигателя. Ускоренные выхлопные газы двигателя обеспечивают тягу. Это основное применение сжатия воздуха, воспламенения топливно-воздушной смеси, производства энергии для автономной работы двигателя и выхлопа для движения. [Рис. 7-23]

Рис. 7-23. Турбореактивный двигатель. [щелкните изображение, чтобы увеличить] Турбореактивные двигатели ограничены по дальности полета и выносливости.Они также медленно реагируют на применение дроссельной заслонки при низких скоростях компрессора.

Турбовинтовой

Турбовинтовой двигатель представляет собой газотурбинный двигатель, приводящий в движение воздушный винт через редуктор. Выхлопные газы приводят в действие силовую турбину, соединенную валом, который приводит в движение узел редуктора. Понижающая передача необходима в турбовинтовых двигателях, потому что оптимальные характеристики воздушного винта достигаются на гораздо более низких скоростях, чем рабочие обороты двигателя. Турбовинтовые двигатели представляют собой компромисс между турбореактивными двигателями и поршневыми силовыми установками.Турбовинтовые двигатели наиболее эффективны на скорости от 250 до 400 миль в час и на высоте от 18 000 до 30 000 футов. Они также хорошо работают на низких скоростях полета, необходимых для взлета и посадки, и экономят топливо. Минимальный удельный расход топлива турбовинтового двигателя обычно достигается в диапазоне высот от 25 000 футов до тропопаузы. [Рис. 7-24]

Рис. 7-24. Турбовинтовой двигатель. [щелкните изображение, чтобы увеличить] Турбовентиляторный двигатель

Турбовентиляторные двигатели были разработаны, чтобы объединить некоторые из лучших характеристик турбореактивного и турбовинтового двигателей.Турбовентиляторные двигатели предназначены для создания дополнительной тяги за счет отклонения вторичного воздушного потока вокруг камеры сгорания. Перепускной воздух турбовентилятора создает повышенную тягу, охлаждает двигатель и способствует подавлению шума выхлопных газов. Это обеспечивает крейсерскую скорость турбореактивного типа и меньший расход топлива.

Впускной воздух, проходящий через турбовентиляторный двигатель, обычно разделяется на два отдельных потока воздуха. Один поток проходит через ядро ​​двигателя, а второй поток обходит ядро ​​двигателя.Именно этот перепускной поток воздуха отвечает за термин «перепускной двигатель». Коэффициент двухконтурности турбовентилятора относится к отношению массового воздушного потока, проходящего через вентилятор, к массовому воздушному потоку, проходящему через сердцевину двигателя. [Рис. 7-25]

Рис. 7-25. Турбовентиляторный двигатель. [щелкните изображение, чтобы увеличить] Турбовальный двигатель

Четвертый распространенный тип реактивного двигателя — турбовальный. [Рис. 7-26] Он передает мощность на вал, который приводит в движение что-то другое, кроме гребного винта.Самая большая разница между турбореактивным и турбовальным двигателем заключается в том, что в турбовальном двигателе большая часть энергии, производимой расширяющимися газами, используется для привода турбины, а не для создания тяги. Многие вертолеты используют турбовальный газотурбинный двигатель. Кроме того, турбовальные двигатели широко используются в качестве вспомогательных силовых установок на больших самолетах.

Рис. 7-26. Турбовальный двигатель. [щелкните изображение, чтобы увеличить]

Приборы для турбинных двигателей

Приборы для двигателей, которые показывают давление масла, температуру масла, частоту вращения двигателя, температуру выхлопных газов и расход топлива, являются общими как для турбинных, так и для поршневых двигателей.Однако есть некоторые инструменты, которые уникальны для газотурбинных двигателей. Эти приборы показывают степень сжатия двигателя, давление нагнетания турбины и крутящий момент. Кроме того, большинство газотурбинных двигателей имеют несколько датчиков температуры, называемых термопарами, которые обеспечивают пилотам показания температуры в секции турбины и вокруг нее.

 

Степень сжатия двигателя (EPR)

Манометр степени давления двигателя (EPR) используется для индикации выходной мощности турбореактивного/турбовентиляторного двигателя.EPR представляет собой отношение давления нагнетания турбины к давлению на входе в компрессор. Измерения давления регистрируются датчиками, установленными на входе в двигатель и на выходе. После сбора данные отправляются на датчик перепада давления, показания которого отображаются на датчике EPR в кабине экипажа.

Конструкция системы EPR автоматически компенсирует влияние воздушной скорости и высоты. Изменения температуры окружающей среды требуют внесения поправок в показания EPR для обеспечения точных настроек мощности двигателя.

Температура выхлопных газов (EGT)

Ограничивающим фактором в газотурбинном двигателе является температура турбинной секции. Температуру турбинной секции необходимо тщательно контролировать, чтобы предотвратить перегрев лопаток турбины и других компонентов выхлопной секции. Одним из распространенных способов контроля температуры секции турбины является датчик температуры выхлопных газов. EGT — это рабочий предел двигателя, используемый для контроля общих условий работы двигателя.

Варианты систем EGT имеют разные названия в зависимости от расположения датчиков температуры.К обычным датчикам температуры турбины относятся датчик температуры на входе в турбину (TIT), датчик температуры на выходе из турбины (TOT), датчик межступенчатой ​​температуры турбины (ITT) и датчик температуры газа в турбине (TGT).

Измеритель крутящего момента

Выходная мощность турбовинтового/турбовального двигателя измеряется измерителем крутящего момента. Крутящий момент представляет собой крутящую силу, приложенную к валу. Измеритель крутящего момента измеряет мощность, приложенную к валу. Турбовальные и турбовальные двигатели предназначены для создания крутящего момента для привода воздушного винта.Измерители крутящего момента калибруются в процентах, футо-фунтах или фунтах на квадратный дюйм.

Н 1 Индикатор

Н 1 представляет собой скорость вращения компрессора низкого давления и отображается на индикаторе в процентах от проектных об/мин. После пуска скорость компрессора низкого давления регулируется турбинным колесом N 1 . Турбинное колесо N 1 соединено с компрессором низкого давления через концентрический вал.

Н 2 Индикатор

Н 2 представляет собой скорость вращения компрессора высокого давления и отображается на индикаторе в процентах от проектных об/мин. Компрессор высокого давления управляется турбинным колесом N 2 . Турбинное колесо N 2 соединено с компрессором высокого давления через концентрический вал. [Рис. 7-27]

Рис. 7-27. Двухконтурный осевой компрессор.

Летная грамотность рекомендует

Frontiers | Мониторинг вибрации газотурбинных двигателей: подходы машинного обучения и их проблемы

Введение

Измерения вибрации обычно считаются звуковым индикатором общего состояния работоспособности машины (глобальный мониторинг).Общий принцип использования данных о вибрации заключается в том, что, когда начинают развиваться неисправности, динамика системы изменяется, что приводит к другим образцам вибрации, отличным от тех, которые наблюдаются в исправном состоянии контролируемой системы. В последние годы производители газотурбинных двигателей обратили внимание на повышение надежности и эксплуатационной готовности своего парка, используя подходы к мониторингу состояния на основе данных о вибрации (King et al., 2009). Эти методы, как правило, предпочтительнее для стратегий онлайн-мониторинга по сравнению с подходом к моделированию, основанному на физике, когда разрабатывается общая теоретическая модель и в которой ее разработка связана с несколькими предположениями.В случае подходов к мониторингу состояния на основе данных можно построить модель на основе данных двигателя, чтобы можно было зафиксировать присущие линейные и нелинейные зависимости, в зависимости от метода, характерные для отслеживаемой системы. По этой причине производители двигателей видят необходимость реализации таких подходов при проходных испытаниях, где необходимо выявить возможные дефекты на ранней стадии, до того, как произойдет полный отказ компонентов.

Из-за сложных процессов, происходящих в газотурбинном двигателе, а также из-за того, что режимы отказа таких систем редко наблюдаются на практике, для разработки модели, управляемой данными, обычно используется парадигма обнаружения новшеств (Тарасенко и др., 2009), так как в этом случае для обучения нужны только данные, поступающие из работоспособного состояния системы. С другой стороны, обычные подходы к многоклассовой классификации не так просты в реализации, поскольку невозможно получить данные и/или понимание (метки) по всем классам отказов. Основная концепция метода обнаружения новизны описана Pimentel et al. (2014): обучающие данные из одного класса используются для построения управляемой данными модели, описывающей распределение, к которому они принадлежат.Данные, не принадлежащие к этому классу, являются новыми/выбросами. В контексте газотурбинного двигателя разработана модель «нормального» состояния двигателя (класс 𝒩), поскольку данные доступны только из этого класса. Затем эта модель используется для определения того, классифицируются ли новые невидимые точки данных как нормальные или «новые» (класс 𝒜), путем сравнения их с распределением, полученным из данных класса 𝒩. Такая модель должна быть достаточно чувствительной, чтобы идентифицировать потенциальные предвестники локализованной неисправности компонента на самой ранней стадии, которая может привести к полному отказу двигателя.Затраты на стратегию непрерывного обслуживания (т. е. вывод оборудования из эксплуатации после отказа для замены) исключительно высоки, но, что наиболее важно, требования безопасности имеют решающее значение, и поэтому в таких системах требуются надежные механизмы сигнализации.

Подходы к обнаружению новинок используют машинное обучение и статистику. В этом исследовании мы будем использовать непараметрический подход, специфичный для отслеживаемого двигателя и опирающийся исключительно на данные для разработки модели. Область обнаружения новшеств составляет большую часть дисциплины машинного обучения, поэтому здесь будет упомянуто лишь несколько примеров литературы, посвященной применению мониторинга состояния двигателя с использованием машинного обучения.Некоторые из первых работ в этой области стали возможными благодаря сотрудничеству между Оксфордским университетом и Rolls Royce (Hayton et al., 2000). Авторы в этой статье использовали данные о вибрациях для обучения одноклассовой машины опорных векторов (OCSVM). Так называемые отслеживаемые порядки (определяемые как амплитуды вибрации, сосредоточенные на основной частоте вращения вала двигателя и ее гармониках) использовались в качестве обучающих признаков для OCSVM. OCSVM также был реализован для обнаружения надвигающейся нестабильности сгорания в промышленных системах сгорания с использованием измерений давления сгорания и высокоскоростных изображений сгорания в качестве входных обучающих данных (Clifton et al., 2007). Этот метод также был расширен Clifton et al. (2014), чтобы откалибровать оценки новизны OCSVM в условные вероятности.

Выбор функции ядра, используемой в OCSVM, существенно влияет на точность его классификации. Поскольку ядро ​​определяет сходство между двумя точками, его выбор в основном зависит от данных. Однако ширина ядра является более важным фактором, чем выбор конкретной функции ядра, поскольку ее можно выбрать таким образом, чтобы обеспечить наилучшее описание данных (Scholkopf and Smola, 2001).Хотя методы ядра считаются хорошим способом внедрения предметно-ориентированных знаний в такой алгоритм, как OCSVM, выбор функции ядра и настройка ее параметров не так просты. В этом исследовании авторы используют относительно простой подход для определения как параметра функции ядра, так и параметра штрафа за оптимизацию для OCSVM. Параметр функции ядра, который был изменен, представляет собой ширину ядра радиальной базисной функции (RBF) γ вместе с параметром штрафа за оптимизацию ν.В общем, γ управляет сложностью описания обучающих примеров, а ν определяет верхнюю границу доли точек обучающих данных, которые находятся за пределами границы, определенной для данных класса 𝒩. Используя эти два параметра, можно найти компромисс между хорошей способностью к обобщению модели и хорошим описанием данных (набор данных для обучения) для получения точных и надежных прогнозов.

Новая схема обнаружения, представленная в следующих разделах, была разработана для газотурбинного двигателя, работающего на ряде альтернативных видов топлива с различным соотношением воздух-топливо.Этот двигатель используется для изучения влияния таких рабочих параметров на его характеристики (например, выбросы выхлопных газов), и поэтому важно обеспечить раннее обнаружение потенциальных неисправностей, которые могут возникнуть во время этих испытаний. Поскольку мы применяем обнаружение новизны на глобальной системной основе, для мониторинга необходимо использовать весь частотный спектр вибрации, а не определенные полосы частот, соответствующие компонентам двигателя. Как будет показано далее, в любой области спектра можно ожидать больших амплитуд колебаний.

Экспериментальная установка и описание данных

Экспериментальные данные, используемые в этой работе, были взяты из более крупного проекта, целью которого было охарактеризовать различные альтернативные виды топлива с точки зрения производительности двигателя, например, расход топлива и выбросы выхлопных газов. Альтернативные виды топлива, в состав которых входит обычное топливо на основе керосина Jet-A1 и биотопливо для реактивных двигателей, показали многообещающие результаты с точки зрения снижения выбросов парниковых газов и других показателей эффективности. В нескольких исследовательских программах довольно широко изучались альтернативные виды топлива для авиации, как описано в Blakey et al.(2011). На установке, которая использовалась для испытаний различных альтернативных видов топлива при различном соотношении воздуха и топлива в двигателе, находится Honeywell GTCP85-129, который представляет собой вспомогательную силовую установку турбовального газотурбинного двигателя. Таким образом, принцип работы этого двигателя соответствует типичному циклу Брайтона. Как видно из принципиальной схемы двигателя на рисунке 1, двигатель всасывает окружающий воздух из впускного отверстия (1 атм) через центробежный компрессор С1, где он повышает свое давление за счет ускорения жидкости и пропускания ее через расширяющуюся секцию.Давление жидкости дополнительно увеличивается во втором центробежном компрессоре C2, после чего смешивается с топливом в камере сгорания (CC) и воспламеняется для добавления энергии в систему (в виде тепла) при постоянном давлении. Газы с высокой температурой и давлением расширяются через турбину, которая приводит в действие два компрессора, генератор G мощностью 32 кВт, который обеспечивает электропитание самолета, и вспомогательное оборудование двигателя (EA), например, топливные насосы, через редуктор.

Рисунок 1 .Принципиальная схема газотурбинного двигателя экспериментальной установки с указанием характерных особенностей.

Выпускной клапан (BV) двигателя позволяет отводить высокотемпературный сжатый воздух (~232°C при абсолютном давлении 338 кПа) в кабину самолета и обеспечивать пневматическую мощность для запуска основных двигателей. Это позволяет тестировать двигатель в различных режимах работы, так как массовый расход воздуха в топливе, который поступает в CC, может быть изменен с помощью положения BV. При открытии БВ произойдет снижение частоты вращения турбины, если не будет подпитки топлива для компенсации потерянной работы.Потери энергии возникают из-за уменьшения работы w c 2 рабочего тела двигателя при прохождении им второй ступени сжатия. Количество потерянных работ пропорциональна извлеченной массой воздуха извлеченного воздуха м кровотечение и может быть выражена как W C 2 = м кровотечение C P DT , с c p представляет теплоемкость рабочего тела и dT перепад температур на второй ступени сжатия.Так как частота вращения вала должна оставаться постоянной на уровне 4356 ± 10,5 рад/с, то регулятор расхода топлива добивается этого за счет регулирования давления в топливопроводе, впрыскивая разномассовый расход топлива в КС.

Увеличение массового расхода топлива, поступающего в ВЦ для поддержания постоянной частоты вращения вала без последующего увеличения массового расхода воздуха, приводит к повышению температуры отработавших газов, что видно из таблицы 1. Это можно объяснить тем, что при При недостатке кислорода, необходимого для полного сгорания поступающего распыляемого топлива, большее количество капель топлива уносится дальше по потоку от КС, пока они в конечном итоге не сгорят.Это постепенное сжигание топлива вдоль секции сгорания вызывает дальнейшее распространение связанного с ним пламени в сторону зоны разбавления. Следовательно, имеет место недостаточное охлаждение газового потока, что приводит к повышению температуры на выходе из камеры сгорания и, в свою очередь, к температуре отработавших газов. Это также подразумевает наличие верхнего и нижнего пределов температуры выхлопных газов, которые контролируются и контролируются электронным регулятором температуры.

Таблица 1 . Усредненные параметры работы двигателя для трех режимов работы на топливе Джет-А1.

Рассмотрены три режима работы путем изменения БВ на три положения. Эти режимы характерны для вспомогательной силовой установки и соответствуют определенной нагрузке на турбину и соотношению воздух-топливо. Таким образом, нагрузка на турбину зависит исключительно от нагрузки на отбор, в то время как нагрузка на валу (количество работы, необходимое для привода генератора и ЭП) поддерживается постоянной во всех трех режимах работы. При использовании обычного керосина для реактивных двигателей Jet-A1 средние значения основных параметров двигателя изменяются на трех режимах работы, как показано в таблице 1.Что касается режима 1, двигатель BV полностью закрыт; без дополнительной нагрузки на турбину, а режим 2 является режимом средней мощности и используется при выключенных основных двигателях и необходимости работы гидросистем самолета. В режиме 3 БВ двигателя полностью открыт, что соответствует максимальному уровню нагрузки на турбину и температуре выхлопных газов. Этот режим работы выбирается, когда для запуска основных двигателей самолета требуется пневматическая энергия, путем подачи достаточного количества воздуха под высоким давлением для вращения лопаток турбины до тех пор, пока не будет достигнута автономная работа двигателя.

Пьезоэлектрический акселерометр с чувствительностью 10 мВ/г был размещен на опорной конструкции двигателя, частота дискретизации 2 кГц ( f с = 2 кГц). Продолжительность каждого теста составляла 110 с. Рассматриваемые виды топлива представляют собой смеси Jet-A1 и биотоплива для реактивных двигателей [гидропереработанные сложные эфиры и жирные кислоты (HEFA)]. Удельная плотность энергии HEFA составляет 44 МДж/кг, и, таким образом, он может выделять такое же количество энергии на заданное количество топлива, что и Jet-A1. Массовые доли биореактивного топлива, смешанного с Jet-A1 в данном исследовании, следующие: 0, 2, 10, 15, 25, 30, 50, 75, 85, 95 и 100%.Для сравнения также рассматривались дополнительные смеси топлив: 50% сжиженного природного газа (СПГ) + 50% Jet-A1, 100% СПГ и 11% толуола + 89% растворителя Banner.

На рисунках 2 и 3 показаны примеры нормированных ускорений во временной и частотной областях соответственно. Нормализация выполнялась путем деления каждой амплитуды ускорения во временной и частотной областях на соответствующее максимальное значение, т. е. нормализованную единицу, так что все амплитуды, соответствующие разным наборам данных, варьировались в одном и том же диапазоне [0, 1].Во временной области показано, что существуют определенные условия работы двигателя, например, 85% Jet-A1 + 15% HEFA, при которых вибрационные реакции двигателя, работающего в установившемся режиме, демонстрируют сильные нестационарные тенденции. В то время как для таких условий, как 50% Jet-A1 + 50% HEFA, вибрационные отклики содержат периодические характеристики, что более четко видно на графиках в частотной области. Обратите внимание, что фактическое зарегистрированное время разгона для каждого состояния двигателя составляло 110 с, но для ясности на графиках показаны только 2 с.На рисунке 3 показано, что при условии 85% Jet-A1 + 15% HEFA двигатель испытывает самый высокий уровень общей амплитуды по всему спектру в режимах 1 и 3. В то время как для режима 2 двигатель работает в условиях 50% Jet-A1 + 50% HEFA демонстрирует самые высокие уровни вибрации во всем диапазоне частот. Вышеизложенное демонстрирует, что изменение соотношения воздух-топливо изменяет статистические свойства наборов данных и, следовательно, характеристику двигателя в частотной области для различных топливных смесей.Для режимов 1 и 3 при условии 50 % Jet-A1 + 50 % HEFA присутствует сильная частотная составляющая на уровне 100 Гц. Сильная периодичность также присутствует для 100% СПГ с той же частотой. Поэтому, глядя на данные, мы можем выделить две основные группы, т. е. те, которые содержат некоторые сильные периодические закономерности, и те, которые не разделяют эту характеристику и в этом случае могут быть нестационарными, если соответствующая оценка их статистики во временной области подтверждает это.

Рисунок 2 .Нормализованные графики вибрации двигателя во временной области на четырех различных топливных смесях при самом высоком испытанном соотношении воздух-топливо.

Рисунок 3 . Графики нормализованной спектральной плотности мощности вибрации двигателя на пяти различных смесях топлива от самого низкого (режим 1) до самого высокого (режим 3) соотношения воздух-топливо.

Трудно дать теоретическое объяснение физического контекста полученных вибрационных откликов без достоверной физической модели, которая может предсказать вибрационный отклик двигателя как выход системы, в которой, помимо динамического контекста, сложные термохимические, происходят и другие физические процессы.В то же время природа проблемы моделирования/мониторинга, если подходить к ней с точки зрения физики, предполагает, что проверка модели будет серьезной проблемой. Выбор стратегии, основанной на данных, решает эту проблему, поскольку исследуемая система (работающий двигатель) рассматривается как черный ящик.

Методы анализа данных

Как упоминалось в разделе «ВВЕДЕНИЕ», это исследование следует структуре машинного обучения для мониторинга состояния двигателей с использованием данных о вибрации.Это означает, что для разработки методологии, которую можно использовать для обнаружения новых моделей двигателя на основе данных о вибрации, необходимо предпринять три последовательных шага после этапа сбора данных. Это, а именно, предварительная обработка данных, выделение признаков и разработка обучающей модели нормального поведения двигателя (Тарасенко и др., 2009).

Предварительная обработка необработанных данных вибрации

Чтобы улучшить способность схемы обнаружения новизны определять, принадлежит ли точка данных к классу 𝒩 или 𝒜, при удалении абсолютных значений перед извлечением признаков был применен метод предварительной обработки.Как было показано в Clifton et al. (2006), этот шаг имеет большое значение для системы обнаружения новизны, поскольку он позволяет лучше различать два разных класса. Масштабирование и нормализация также важны для большинства систем мониторинга состояния для устранения любых нежелательных экологических или эксплуатационных эффектов в анализируемых данных (He et al., 2009). В качестве метода предварительной обработки он рассматривается для повышения производительности одноклассовых классификаторов (Juszczak et al., 2002): при работе с алгоритмами машинного обучения очень полезно масштабировать анализируемые данные, поскольку диапазоны признаков с большими абсолютными значениями будут иметь тенденцию доминировать над диапазонами с меньшими диапазонами значений (Hsu et al., 2016). В этом исследовании цель состоит в том, чтобы увеличить разницу в амплитуде вибрации для классов 𝒩 и 𝒜, и, следовательно, данные выбраны для масштабирования в различных тестируемых условиях (а не во времени).

сначала, D -Dimensional Matrix x 9000 x x Индекс i = 1, …, N используется для обозначения различных условий, которые были включены в эту матрицу, т. е. различных топливных смесей на трех режимах работы. Отдельная матрица Z Z = { Z 1 , …, , …, Z 5 L } Содержащие данные из обоих классов (25% условий двигателя от класса 𝒜), тоже построили. Эта предварительная маркировка двух классов была выполнена путем сборки матрицы со всеми необработанными данными (до предварительной обработки) и уменьшения ее размеров до 2 с использованием анализа основных компонентов (PCA) для ее визуализации.Наблюдаемым точкам данных в двумерном пространстве PCA, которые находились далеко от остальных данных, присваивалась метка класса 𝒜, а всем остальным — метка класса 𝒩. Например, условию 85% Jet-A1 + 15% HEFA в режиме 1 была присвоена прежняя метка.

Масштабированная версия матрицы X была получена следующим образом:

χi=xi−x¯∕σx, (1)

, где вектор среднего определяется как x¯=1N∑Ni=1 xi, а вектор дисперсии – как σx=1N∑Ni=1 (xi−x¯)2.Теперь масштабированная версия матрицы Z с индексом, обозначающим различные условия в матрице j = 1, …, L , содержащая данные обоих классов, была получена следующим образом:

ζj=zj−x¯∕σx. (2)

Извлечение признаков из предварительно обработанных необработанных данных о вибрации

Процесс выделения признаков следует за этапом предварительной обработки данных. Для этой цели выбрано вейвлет-пакетное преобразование (WPT). Все коэффициенты преобразований временной шкалы используются в качестве входных данных для алгоритма, который подходит для линейного или нелинейного уменьшения размерности, анализа основных компонентов ядра (KPCA).Такая процедура преобразования данных с использованием базисов вейвлетов и проекции на набор осей меньшей размерности выгодна в случаях, когда нет знаний о характерных частотах контролируемой механической системы.

Вейвлет-коэффициенты

Целью этого этапа является получение набора отличительных признаков из предварительно обработанных необработанных данных о вибрации, чтобы затем модель обучения могла легко разделить два класса состояний двигателя.Ранее на рисунке 3 было показано, что существует определенная степень несходства между состояниями двигателя в отношении их амплитуд в частотном спектре. Следовательно, для извлечения из данных информации как во временной, так и в частотной области необходимо использовать частотно-временные методы. Вейвлет-преобразование позволяет включать временную информацию для частотных компонентов. Таким образом, нестационарные события можно анализировать с помощью вейвлет-преобразования. Ожидается, что данные могут быть описаны более эффективно, чем с помощью методов на основе Фурье, где любые нестационарные области стохастического сигнала не локализованы во времени.Выбор частотно-временного подхода, такого как вейвлет-преобразование, может быть лучшим вариантом для типа данных, обрабатываемых в этом исследовании. Самый простой метод частотно-временного анализа — кратковременное преобразование Фурье — не будет оптимальным вариантом, поскольку размер окна фиксирован. Следовательно, существуют ограничения разрешения, определяемые принципом неопределенности, которые могут затруднить анализ потенциально нестационарных частей сигнала.

Вейвлет-преобразование решает проблему фиксированного размера окна, используя короткие окна для анализа высокочастотных компонентов (хорошая временная локализация) и большие окна для низкочастотных компонентов (хорошая частотная локализация).Пример вейвлет-преобразования, применяемого для приложений мониторинга состояния, был представлен в Fan and Zuo (2006). Для мониторинга приложений существует несколько других частотных методов, например, эмпирическая модовая декомпозиция, представленная в Antoniadou et al. (2015), который может предложить те же преимущества, что и вейвлет-преобразование. Однако последний метод выбран в этой работе, потому что он очень прост в реализации и является проверенной и математически хорошо обоснованной концепцией. Вейвлет-преобразование изначально было разработано для построения карты параметров расширения и перемещения.Расширение представляет масштабы с ≈ 1/частота, а смещение τ относится к операции сдвига во времени. Рассмотрим состояние n -го двигателя χ n ( t ), где t = {0, …, 110} с. Соответствующие вейвлет-коэффициенты можно рассчитать следующим образом:

c(s,τ)=∫χn(t)ψs,τ(t)dt. (3)

Функция ψ s представляет семейство высокочастотных маловременных и низкочастотных больших временных функций прототипа функции ψ.В математических терминах это определяется следующим образом:

ψs,τ(t)=1|s|ψt−τs,s>0, (4)

при с < 1 функция-прототип имеет меньшую продолжительность во времени, а при с > 1 функция-прототип становится больше по времени, что соответствует высокочастотным и низкочастотным характеристикам соответственно.

В Mallat (1999) дискретная версия уравнения. 3, а именно дискретное вейвлет-преобразование (ДВП), было разработано как эффективная альтернатива непрерывному вейвлет-преобразованию.В частности, было доказано, что при использовании масштаба j и переноса k , принимающих только значения степеней двойки вместо промежуточных, можно получить удовлетворительное частотно-временное разрешение. Это называется двоичной сеткой вейвлет-коэффициентов, а функция, представленная в уравнении 4, становится набором ортогональных вейвлет-функций:

ψj,k(t)=2j∕2ψ2jt−k, (5)

, так что избыточность устраняется с помощью этого набора ортогональных основ вейвлета, как более подробно описано в Farrar and Worden (2012).

На практике коэффициенты ДВП получаются путем свертки χ n ( t ) с набором полуполосных (содержащих половину частотного содержания сигнала) фильтров нижних и верхних частот (Маллат, 1989). Это дает соответствующие поддиапазоны низких и высоких частот сигнала. Затем низкочастотный поддиапазон подвергается дальнейшему разложению по той же схеме после прореживания его на 2 (половина отсчетов может быть исключена по критерию Найквиста), в то время как высокочастотный поддиапазон далее не анализируется.Сигнал после первого уровня декомпозиции будет иметь частотное разрешение в два раза больше, чем исходный сигнал, так как он имеет вдвое меньше точек. Эта итеративная процедура известна как двухканальное поддиапазонное кодирование (Mallat, 1999) и обеспечивает эффективный способ вычисления вейвлет-коэффициентов с использованием сопряженных квадратурных зеркальных фильтров. Из-за плохого частотного разрешения DWT на высоких частотах для преобразования признаков был выбран WPT. Разница между DWT и WPT заключается в том, что последний дополнительно разлагает высокочастотный поддиапазон.Принципиальная схема БПЭ до 2-х уровней разложения показана на рисунке 4. Сначала сигнал χ n ( t ) свернут с полуполосным фильтром нижних частот h ( k ) и фильтр верхних частот г ( к ). Это дает вектор вейвлет-коэффициентов c 1,1 , который захватывает низкочастотное содержимое [0, f s /4] Гц, и вектор вейвлет-коэффициентов c 4 9 ,1 , который захватывает высокочастотный контент ( f s /4, f s /2) Гц.После j уровней разложения Коэффициенты из выхода каждого фильтра собраны на матрице C C N , соответствующие N -м Условие двигателя χ N . Обратите внимание, что каждый коэффициент имеет половину числа выборок как χ n ( t ) на первом уровне разложения. В данном исследовании в качестве промежуточного значения рассматривались четыре уровня разложения.Вышеуказанный процесс был повторен для остальной части N — 1 Условия двигателя, чтобы получить матрицу коэффициентов C = { C 1 , …, C N }.

Рисунок 4 . Схематическая диаграмма пакетного преобразования вейвлета до уровня разложения 2. На каждом уровне частотный спектр разбивается на 2 j поддиапазонов.

Низкоразмерные элементы

Матрица вейвлет-коэффициентов C представляет собой D -мерную матрицу, т.е.е., он имеет те же размеры, что и исходный набор данных. Следовательно, признаки более низкой размерности необходимы для предотвращения переобучения, связанного с более высокими размерностями признаков. В этом исследовании PCA изначально использовался для целей визуализации, например, для наблюдения за возможными кластерами точек данных для матрицы X . Его нелинейный эквивалент, KPCA, используется для уменьшения размерности, чтобы можно было зафиксировать нелинейные отношения между функциями.

Анализ главных компонент — это метод, который можно использовать для получения нового набора ортогональных осей, показывающих наибольшую дисперсию данных.Следовательно, C было спроецировано на 2 ортогональные оси от его исходного размера D . В PCA, собственные значения λ K k u u K 3 9037 K Covaration Matrix S C C получены путем решения следующего собственного значения проблема:

где k = 1, …, D . Собственный вектор u 1 , соответствующий наибольшему собственному значению λ 1 , является первой главной компонентой и так далее.Двумерное представление C , т. е. Y (матрица N × k ), может быть вычислено посредством линейной проекции с использованием первых двух собственных векторов:

В Schölkopf et al. (1998) был введен KPCA. Этот метод является обобщенной версией PCA, поскольку скалярные произведения ковариационной матрицы S C заменяются функцией ядра. В KPCA отображение ϕ двух точек данных, т.е.G., N и м -й вейлой коэффициент C C 5 N и C C C M , соответственно, получают функцию ядра RBF следующим образом :

k(cn,cm)=ecn−cm22σKPCA2. (8)

Используя приведенное выше отображение, стандартный PCA может быть выполнен в этом новом пространстве признаков ℱ, которое неявно соответствует нелинейному главному компоненту в исходном пространстве. Следовательно, скалярные произведения ковариационной матрицы заменяются ядром RBF следующим образом:

Sϕ=1∕N∑Ni ϕciTϕci.(9)

Однако приведенную выше матрицу нельзя использовать напрямую для решения задачи на собственные значения, как в уравнении. 6, из-за его большого размера. Следовательно, после некоторых алгебраических манипуляций можно вычислить собственные значения ℓ d и собственные векторы ud для матрицы ядра 𝒦 (размером N × N ) вместо матрицы ковариации (размера ℱ × ℱ). Поэтому в KPCA вместо этого требуется найти решение следующей проблемы собственных значений:

, где d = {1, …, N }, так как ℱ > N , количество ненулевых собственных значений не может превышать число условий работы двигателя N (Bishop, 2006).Используя собственные векторы матрицы ядра, можно получить новые проекции Y=y1,…,yN отображаемых точек данных вейвлет-коэффициентов ϕ( c i ) на нелинейную поверхность размерности d , которая может варьироваться от 1 до N .

Обучающая модель для обнаружения новинок

Машины опорных векторов в качестве инструмента для классификации предлагают гибкость искусственной нейронной сети, преодолевая ее подводные камни.Использование функции ядра для расширения исходного входного пространства в многомерное пространство для поиска гиперплоскости линейного решения тесно связано с добавлением дополнительных слоев в искусственную нейронную сеть. Следовательно, алгоритм можно адаптировать для лучшего соответствия характеристикам наших данных таким образом, чтобы повысить точность прогнозирования. Учитывая, что OCSVM формирует задачу квадратичной оптимизации, она гарантирует нахождение оптимального решения в том месте, где должна располагаться гиперплоскость линейного решения (Schölkopf et al., 2001; Шоу-Тейлор и Кристианини, 2004 г.). С другой стороны, можно получить локальный оптимум как решение задачи нахождения среднеквадратичной ошибки в искусственной нейронной сети с использованием алгоритма градиентного спуска.

В качестве обучающих данных используем матрицу, полученную из KPCA, т. е. 𝒴 . Принимая во внимание, что низкоразмерные представления данных тестирования (из матрицы Z ) получаются путем выполнения того же преобразования признаков, выбора и т. д.Методология OCSVM позволяет использовать функцию ядра RBF, которая отображает точки данных в 𝒴 аналогично тому, как это делается в KPCA. Однако формулировка в наборе инструментов LIBSVM (Chang and Lin, 2011) немного отличается для ядра RBF. Учитывая две точки данных yn и ym, ядро ​​RBF, реализованное в OCSVM, определяется следующим образом:

k(yn,ym)=e−γyn−ym2. (11)

После того, как обучающие данные отображаются через ядро ​​RBF, источник в этом новом пространстве признаков рассматривается как единственный член данных класса 𝒜.Затем определяется гиперплоскость, чтобы сопоставленные обучающие данные были отделены от источника с максимальным запасом. Гиперплоскость в отображенном пространстве признаков расположена в точке ϕ(yi)−ρ=0, где ρ — переменная общего поля. Чтобы отделить все нанесенные на карту точки данных от начала координат, необходимо решить следующую квадратичную программу:

minw,ρ,ξ 0,5wTw+1υN∑iξi−ρпри условии (wϕ (yi))≥ρ−ξi, i=1,…,N, ξi≥0, (12)

, где w — вектор нормали к гиперплоскости, а ξ называются резервными переменными и используются для количественной оценки ошибки неправильной классификации каждой точки данных отдельно в соответствии с расстоянием от соответствующей границы.Значение ν, о котором упоминалось ранее, отвечает за штраф за ошибочную классификацию и ограничено ν ∈ (0, 1]. Решение, которое определяет, принадлежит ли невидимая точка данных y∗, т. е. из матрицы Z , к одному из два класса условий двигателя могут быть созданы с помощью следующей функции:

gy∗=signwϕy∗−ρ. (13)

Для точки данных класса 𝒜 gy∗>0, иначе gy∗≤0. Обратите внимание, что по практическим причинам проблема оптимизации в уравнении. 12 решается введением множителей Лагранжа.Одна из основных причин этого заключается в том, что это позволяет записывать оптимизацию в терминах скалярных произведений. Это приводит к «уловке с ядром», которая позволяет обобщить проблему на нелинейный случай с помощью подходящих функций ядра, таких как ядро ​​RBF, которое используется в этом исследовании.

Результаты и обсуждение

В этой работе ядро ​​RBF использовалось для сопоставления точек данных OCSVM с бесконечномерным пространством признаков, где может быть достигнуто линейное разделение двух классов.Применив OCSVM к нашей проблеме, мы получили широкий спектр формулировок функций ядра. Ядро RBF является одним из самых популярных, поскольку оно подразумевает общие свойства гладкости для набора данных, допущение, которое обычно принимается во многих реальных приложениях, как более подробно обсуждается в Scholkopf and Smola (2001). Ядро RBF имеет два параметра, которые необходимо определить, чтобы адаптировать алгоритм OCSVM к характеристикам сигналов вибрации, ожидаемых в этом исследовании.Эти параметры называются шириной ядра γ и штрафом за оптимизацию ν. Наблюдая изменение точности проверки α ν OCSVM на мелкой сетке значений γ и ν, можно было определить комбинацию этих двух значений, которые максимизируют α ν . Значения γ и ν были выбраны с шагом в степени 2, как это было предложено в практическом исследовании Hsu et al. (2016). Точность проверки была рассчитана с использованием схемы 10-кратной перекрестной проверки для предотвращения переобучения данных.Как более подробно обсуждалось в Bishop (2006), схема перекрестной проверки используется, когда количество обучающих данных невелико. В таких случаях данных недостаточно, чтобы разделить их на обучающие и проверочные наборы данных, чтобы исследовать надежность и точность модели. В нашем исследовании количество условий работы двигателя относительно невелико по сравнению с количеством измерений в матрице признаков. Таким образом, схема перекрестной проверки является возможным решением проблемы недостаточности обучающих данных.Более подробно, в этой схеме данные сначала делятся на 10 подмножеств одинакового размера. Каждое подмножество используется для последовательной проверки эффективности классификации модели (которая была обучена на девяти других подмножествах). Каждая точка данных в наборе данных для обучения вибрации прогнозируется один раз. Следовательно, точность перекрестной проверки представляет собой процент правильных классификаций среди набора данных данных обучения вибрации.

На рисунке 5 мы представляем два примера результатов перекрестной проверки изменения точности на сетке параметров γ и ν.Эти результаты соответствуют точности перекрестной проверки, полученной путем обучения OCSVM с набором данных вейвлет-коэффициентов после «сжатия» с помощью PCA (правый график) и KPCA (левый график). Точность перекрестной проверки оценивалась с помощью ν. в диапазоне 0,001 и 0,8 с шагом 0,002, а γ находится в диапазоне 2 −25 и 2 25 с шагом 2. Выбор этой сетки для ν был сделан на том, что этот параметр ограничен, поскольку он представляет собой верхнюю границу доли обучающих данных, лежащих на неправильной стороне гиперплоскости [подробнее см. Schölkopf et al.(2001)]. В случае γ отсутствовали верхний и нижний пределы, поэтому был выбран относительно более широкий диапазон. В обоих случаях шаги были определены таким образом, чтобы вычислительные затраты были разумными. Как правило, решение о пространстве сетки следовало процедуре проб и ошибок для заданного набора данных о вибрации, чтобы определить подходящие границы и размер шага. Как видно из контурных графиков, поиск по сетке позволяет нам получить высокую точность проверки при выборе подходящей комбинации γ и ν.Для нашего набора данных эту комбинацию можно найти в основном при относительно низких значениях γ. По мере уменьшения значения γ попарные расстояния между точками обучающих данных становятся менее важными. Следовательно, граница решения ОКСВМ становится более ограниченной, а ее форма менее гибкой из-за того, что она будет придавать этим расстояниям меньший вес. Обратите внимание, что примеры на рисунке 5 были получены с d = 100 для 𝒴 и D = 100 для Y (см. Низкоразмерные характеристики), с уровнем разложения 9043 WPT j = 4 и (только для KPCA) ширина ядра γ KPCA = 1.Очевидно, что при использовании KPCA с ядром RBF можно получить максимальную точность перекрестной проверки около 95 %, в то время как при использовании стандартного PCA точность классификации OCSVM относительно низкая, т. е. около 60 %. Следовательно, есть преимущество использования KPCA по сравнению со стандартным PCA для конкретного набора данных, который используется в этом исследовании. Это ожидается, поскольку KPCA находит нелинейные отношения, существующие между объектами данных.

Рисунок 5 . Изменение точности перекрестной проверки в зависимости от γ и ν для модели одноклассового опорного вектора, основанной на машинном обучении, с использованием функций анализа основных компонентов ядра (слева) и стандартного анализа основных компонентов.

Метод поиска по сетке для нахождения «подходящих» значений для γ и ν дает преимущество, когда другие параметры, например ширина ядра KCPA σ KPCA , не могут быть легко определены. Можно продемонстрировать, что α ν может быть значительно увеличено по сравнению с фиксированным набором значений по умолчанию. Инструментарий LIBSVM предлагает значения по умолчанию: ν = d -1 и γ = 0,5. На рисунке 6 точность проверки показана для различных значений ширины ядра KPCA σ KPCA и числа главных компонент d для случаев, когда γ и ν были выбраны из поиска по сетке и когда им были присвоены их фиксированные значения по умолчанию. .Из этих двух графиков видно, что параметры OCSVM γ и ν можно «настроить» таким образом, чтобы точность проверки можно было максимизировать, независимо от выбора d и σ KPCA . Это наблюдение иллюстрирует силу методов на основе ядра в целом, поскольку ширина ядра может иметь большое влияние на описание обучающих данных. В большинстве случаев выбор этого параметра необходим только для получения подходящей адаптации наших алгоритмов (Shawe-Taylor and Cristianini, 2004).Как видно, выбирая каждый раз разные комбинации ν и γ (согласно процедуре поиска по сетке), максимально достижимая точность проверки всегда близка к 100%. Это значительное улучшение по сравнению с соответствующей точностью, которую можно получить, используя фиксированный набор значений. Более того, это демонстрирует, что «настроить» машину опорных векторов не так уж и сложно, поскольку нужно найти всего два параметра, и это можно сделать с помощью процедуры поиска по сетке. Напротив, искусственная нейронная сеть требует, чтобы ее архитектура, скорость обучения градиентного спуска и другие параметры были заданы заранее, что значительно усложняет задачу «настройки» алгоритма.Тем не менее, самым сильным моментом машины опорных векторов является ее способность получать глобальное оптимальное решение для любого выбранного значения γ и ν, которое мы указали, так что его способность к обобщению всегда максимальна.

Рисунок 6 . Изменение точности перекрестной проверки для различных d и σ KPCA для выбранных (слева) и фиксированных (справа) значений γ и ν.

Как было показано ранее на рисунке 5, выбранное значение γ (из поиска по сетке) было очень маленьким.Это верно для каждого рассмотренного случая, например, для разных значений d . По этой причине можно сказать, что алгоритм лучше обобщается с менее сложной границей решения. Однако «настройка» OCSVM оказывается сложной задачей, поскольку точность прогноза (с использованием набора тестовых данных) ниже ожидаемой, т. е. менее 50%. Большинство ошибок произошло для точек данных, ошибочно принятых за принадлежащие классу 𝒜, тогда как на самом деле они принадлежали классу 𝒩. Вероятные причины неудовлетворительной работы OCSVM на тестовом наборе данных обсуждаются ниже:

• На этапе проверки OCSVM оцениваются только ошибки ошибочного отклонения данных из класса 𝒩.Можно было бы предположить, что причина этой ошибочной классификации могла быть связана с ошибками в расчете параметров γ и ν, оцениваемых при поиске по сетке. Что касается выбора γ и ν, было предпринято несколько попыток решить эту проблему другими способами, отличными от поиска по сетке. Например, в Xiao et al. (2015) авторы представили методы выбора ширины ядра γ OCSVM с помощью того, что они называют «геометрическими» расчетами.

• Из-за характера данных существуют большие различия между состояниями двигателя, а также внутри каждого состояния.Следовательно, сложно разработать модель с использованием данных класса 𝒩, если характеристики каждого условия в одном и том же классе различны. Выбор подходящих обучающих данных является важным фактором для используемых подходов, основанных на данных. В этом случае следует выбирать представление данных в областях с соответствующим временным разрешением, а выбранные алгоритмы распознавания образов потенциально не должны зависеть от обучения, а работать в адаптивной структуре.

Заключение

В этом исследовании мы следовали новой схеме обнаружения новинок для мониторинга состояния двигателей с использованием передовых методов машинного обучения, выбранных в соответствии с типом анализируемых данных.Это привело к лучшему описанию основных проблем, с которыми можно столкнуться при использовании основанной на данных стратегии мониторинга данных о вибрации двигателя. Схема обнаружения новизны была выбрана вместо подхода классификации из-за отсутствия обучающих данных для различных состояний работы двигателя, которые обычно встречаются в реальных приложениях. Следующие шаги были рассмотрены как основные, оптимальные методы анализа данных. Модель нормальности, основанная на OCSVM, которая была обучена распознавать сценарии нормальных и новых условий работы двигателя, была разработана с использованием данных о двигателе, работающем в условиях, в которых двигатель испытывает низкие амплитуды вибрации.Выбор этого метода машинного обучения для обнаружения новинок был обусловлен тем, что задача распознавания образов основана на построении ядра, которое предлагает универсальность, способную поддерживать анализ более сложных данных. В этом случае, согласно анализу, представленному в исследовании, сильное влияние штрафного параметра ν и ширины ядра γ OCSVM может повлиять на точность проверки. Используя поиск по мелкой сетке для выбора параметров ν и γ, можно достичь точности проверки, близкой к 100%, как показано в результатах.Это является значительным преимуществом, когда нет методологии выбора других параметров, таких как количество основных компонентов, используемых в KPCA. Это также подчеркивает одну из сильных сторон методов на основе ядра, а именно их адаптируемость к заданному набору данных. В частности, было доказано, что ядро ​​RBF очень эффективно описывает данные, поступающие от двигателя, за счет выбора подходящего значения ширины ядра γ.

Ограничения подходов к обнаружению новизны в целом и подхода, обсуждаемого в частности в этом исследовании, включают следующие моменты: данные о тренировочной вибрации, которые можно получить от двигателей, и ограничения конкретных рассмотренных алгоритмов.Для последнего обсуждался выбор ν и γ, и независимый набор тестовых данных, который включал 25% условий нового поведения двигателя, использовался для расчета точности классификации с использованием выбранных ν и γ из поиска по сетке. Несмотря на то, что результаты проверки были исключительно хорошими, и модель, казалось, не соответствовала данным, поскольку граница решения была гладкой, а количество опорных векторов относительно небольшим, точность классификации с использованием набора тестовых данных была неудовлетворительной.Наибольшие ошибки произошли при неправильном прогнозировании точек данных из исправных условий двигателя как новых. Несколько возможных причин того, почему это может произойти, были упомянуты в предыдущей части исследования.

Чтобы улучшить схему обнаружения новшеств, представленную в этом исследовании, требуется дополнительная работа по надлежащему обучению OCSVM. Например, вместо того, чтобы выбирать ν и γ с помощью поиска по сетке, можно использовать методы, которые вычисляют эти параметры более принципиальным способом с использованием простой геометрии.Кроме того, признаки вейвлет-преобразования, извлеченные из данных, могли привести к большому разбросу точек данных в пространстве признаков из-за высокой изменчивости сигналов от каждого состояния двигателя. Одним из способов решения этой проблемы является изучение нового набора потребностей в функциях, которые могут обеспечить лучшую кластеризацию точек данных из работоспособных условий двигателя, чтобы в пространстве функций можно было сформировать меньшую и более жесткую границу принятия решений. Другим предложением может быть разработка новых алгоритмов машинного обучения, которые не полагаются на качество обучающих данных, а могут скорее адаптивно классифицировать различные состояния/условия работы исследуемого двигателя.

Вклад авторов

IM провел анализ машинного обучения и является первым автором исследования. ИА руководил работой (концепция и проверка). БК способствовал проведению экспериментов и получению анализируемых данных. Все авторы несут ответственность за содержание работы.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить сотрудников Центра низкоуглеродного сжигания при Университете Шеффилда за проведение экспериментов с газотурбинным двигателем и за любезно предоставленные данные о вибрации двигателя, использованные в этом исследовании.

Финансирование

IM — аспирант, финансируемый за счет стипендии факультета машиностроения Шеффилдского университета. Все авторы выражают благодарность за финансирование, полученное от Исследовательского совета по инженерным и физическим наукам (EPSRC) в виде гранта EP/N018427/1.

Каталожные номера

Антониаду И., Мэнсон Г., Сташевски В. Дж., Барщ Т., Уорден К. (2015). Подход частотно-временного анализа для мониторинга состояния редуктора ветровой турбины при переменных условиях нагрузки. Мех. Сист. Сигнальный процесс. 64, 188–216. doi: 10.1016/j.ymssp.2015.03.003

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Бишоп, К. (2006). Распознавание образов и машинное обучение (информатика и статистика) .Нью-Йорк: Спрингер.

Академия Google

Блейки, С., Рай, Л., и Уилсон, В. (2011). Альтернативные авиационные газотурбинные топлива: обзор. Проц. Комбус. Инст. 33, 2863–2885. doi:10.1016/j.proci.2010.09.011

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Чанг, К., и Лин, К. (2011). LIBSVM: библиотека для машин опорных векторов. ACM Транс. Интел. Сист. Технол. 2, 1–27. дои: 10.1145/1961189.1961199

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Клифтон, Д.А., Баннистер П.Р. и Тарасенко Л. (2006). «Применение интуитивной метрики новизны для мониторинга состояния реактивного двигателя», в Advances in Applied Artificial Intelligence , eds M. Ali and R. Dapoigny (Berlin, Heidelberg: Springer), 1149–1158.

Академия Google

Клифтон Л., Клифтон Д. А., Чжан Ю., Уоткинсон П., Тарасенко Л., Инь Х. (2014). Вероятностное обнаружение новизны с помощью машин опорных векторов. IEEE Trans. Надежный 455–467. дои: 10.1109/ТР.2014.2315911

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Клифтон Л., Инь Х., Клифтон Д. и Чжан Ю. (2007). «Обнаружение новизны комбинированного опорного вектора для многоканальных данных о горении», в IEEE International Conference on Networking, Sensing and Control , London.

Академия Google

Фань, X., и Цзо, М. (2006). Обнаружение неисправности редуктора с использованием Гильберта и пакетного вейвлет-преобразования. Мех. Сист. Сигнальный процесс. 20, 966–982.doi:10.1016/j.ymssp.2005.08.032

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Фаррар, К., и Уорден, К. (2012). Мониторинг состояния конструкций: перспектива машинного обучения . Чичестер: Джон Вили и сыновья.

Академия Google

Хейтон П., Шёлкопф Б., Тарасенко Л. и Анузис П. (2000). «Обнаружение новизны опорных векторов применительно к спектрам вибрации реактивных двигателей», в Ежегодной конференции по системам обработки нейронной информации (NIPS) , Денвер.

Академия Google

Хе, К., Ян, Р., Конг, Ф., и Ду, Р. (2009). Мониторинг состояния машины с использованием представления основных компонентов. Мех. Сист. Сигнальный процесс. 23, 446–466. doi:10.1016/j.ymssp.2008.03.010

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Сюй, К., Чанг, К., и Лин, К. (2016). Практическое руководство по классификации опорных векторов . Тайбэй: факультет компьютерных наук Тайваньского национального университета.

Академия Google

Ющак, П., Tax, D., и Duin, R.P.W. (2002). «Масштабирование признаков в описании данных опорного вектора», в Proc. ASCI , Лохем.

Академия Google

Кинг, С., Баннистер, П.Р., Клифтон, Д.А., и Тарасенко, Л. (2009). Вероятностный подход к контролю состояния авиационных двигателей. Проц. Инст. мех. англ. Г. Дж. Аэросп. англ. 223, 533–541. дои: 10.1243/09544100JAERO414

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Маллат, С. (1989). Теория разложения сигналов с несколькими разрешениями: вейвлет-представление. IEEE Trans. Анальный узор. Мах. Интел. 11, 674–693. дои: 10.1109/34.192463

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Маллат, С. (1999). Вейвлет-тур по обработке сигналов (вейвлет-анализ и его приложения) . Нью-Йорк: Академическая пресса.

Академия Google

Пиментел М., Клифтон Д., Клифтон Л. и Тарасенко Л. (2014). Обзор обнаружения новинок. Обработка сигналов 99, 215–249. doi: 10.1016/j.sigpro.2013.12.026

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Schölkopf, B., Platt, J.C., Shawe-Taylor, J., Smola, A.J., and Williamson, R.C. (2001). Оценка поддержки многомерного распределения. Нейронные вычисления. 10, 1443–1471. дои: 10.1162/089976601750264965

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Шолкопф, Б., и Смола, А. (2001). Обучение с помощью ядер: машины опорных векторов, регуляризация, оптимизация и не только .Кембридж: MIT Press.

Академия Google

Шёлкопф, Б., Смола, А., и Мюллер, К. (1998). Нелинейный компонентный анализ как проблема собственных значений ядра. Нейронные вычисления. 10, 1299–1319. дои: 10.1162/089976698300017467

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Шоу-Тейлор, Дж., и Кристианини, Н. (2004). Методы ядра для анализа закономерностей . Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета.

Академия Google

Тарасенко Л., Клифтон Д.А., Баннистер П.Р., Кинг С., Кинг Д. (2009). «Глава 35 — обнаружение новшеств», в Encyclopedia of Structural Health Monitoring , eds C. Boller, F. Chang и Y. Fujino (Барселона: John Wiley & Sons).

Академия Google

.

alexxlab

E-mail : alexxlab@gmail.com

Submit A Comment

Must be fill required * marked fields.

:*
:*