Турбина на двигатель: 7 главных минусов и 2 плюса турбомоторов — журнал За рулем

Содержание

«Наддувательство»: опасен ли турбированный мотор современного автомобиля

«Низкие обороты турбонагнетателю не страшны, — считает Дмитрий Парбуков, шеф-тренер «Ауди Центр Варшавка». — Однако, несмотря на инновационные системы охлаждения современных двигателей, не стоит эксплуатировать автомобиль длительное время «под полным газом», это сказывается на ресурсе турбонагнетателя. Резкие ускорения и торможения турбине не навредят, так как современные узлы оснащены клапаном сброса давления для ограничения подачи воздуха и предотвращения детонации, а также перепускным клапаном, позволяющими поддерживать постоянное вращение компрессорного колеса для исключения эффекта турбоямы и последующего быстрого отклика».

По мнению Константина Калиничева, cервис-менеджера «Порше Центра Ясенево» компании «Рольф», чем современнее двигатель, тем эффект турбоямы менее заметен. Для его устранения автопроизводители используют как более современную электронную начинку управления двигателем, так и более сложные узлы, например турбины с переменной производительностью.

Либо же ставят несколько турбин: высокого и низкого давления.

«Сразу после запуска любых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) нежелательно давать нагрузку на мотор, пока он не прогрелся до 50-60 градусов по Цельсию. При достижении этой температуры все тепловые зазоры приходят в соответствие с заложенными параметрами, прогревается смазка и моторное масло», — добавляет Александр Копытов.

Дмитрий Парбуков утверждает, что если мотор только завелся, жать на газ для быстрого прогрева машины нежелательно. В этом случае горячий поток отработавших газов воздействует на турбинную часть вала, при этом непрогретое масло недостаточно прокачивается в системе, из-за чего возникают перегрев и повышенный износ турбонагнетателя.

Турботаймер

Не так давно владельцы турбированных автомобилей предпочитали комплектовать их так называемыми турботаймерами, которые позволяли двигателю работать на холостых оборотах несколько минут после того, как владелец уже вытащил ключ из замка зажигания и запер машину. По мнению экспертов, современным моделям это устройство больше не нужно.

Турбокомпрессор: правильная эксплуатация, неисправности и ремонт

Все больше современных автомобилей оснащаются турбокомпрессором. Этот агрегат повышает не только мощностные, но и экологические показатели транспорта. Хоть вопросы устройства и эксплуатации турбин уже давно были рассмотрена как техническими специалистами, так и рядовыми автолюбителями, все еще можно столкнуться с тем, что водители до конца не понимает, как нужно эксплуатировать и обслуживать турбину. Новый материал от Avto.pro поможет читателям дополнить свои знания об устройстве турбин и разобраться с тем, продлить их эксплуатацию.

Как это устроено

Турбина, а правильнее всего называть ее турбокомпрессором, по праву считается сердцем системы турбонаддува. В такой системе может использоваться и механический или электрический нагнетатель, однако в данном материале мы будет говорить именно о турбокомпрессорах.

Начнем с простого. Что нужно для работы двигателя? Атмосферный воздух, топливо и искра. Топливо и воздух соединяются в т.н. топливовоздушную смесь, которая зажигается искрой и при сгорании выделяет большой объем горячих газов, которые толкают поршень. Поршень совершает возвратно-поступательные движения, а если говорить проще, то движется по прямой. Благодаря коленвалу такое движение преобразуется в движение вращательное, которое через цепочку механизмов передается ведущим колесам. Повышая мощностные показатели двигателей, инженеры столкнулись со следующим:

  • Идея: повысить объем сгораемого топлива. Ожидаемый результат: повышение мощности двигателя при умеренном повышении его размеров и веса;
  • Реальный результат: новые двигатели стали настолько тяжелыми, что рост реальных мощностных показателей авто оказался нелинейным – мощность придется повышать дальше;
  • Побочная проблема: существенное повышение расхода горючего при не столь впечатляющем росте мощности.

Нефтяные кризисы поставили крест на идеях создания емких двигателей с высокими мощностными показателями. Некогда копеечное горючее теперь стоило немалых денег. Водители из США, где традиционно создавались авто с крупнолитражными двигателями, стали обращать внимание на японские и европейские малолитражки с высокой топливной экономичностью. Тогда же стало ясно, что от двигателя требуется в первую очередь эффективность, а не большие объемы. Четырнадцать долей на одну – знакомо ли вам это соотношение? На 14 объемных частей атм. воздуха должна приходиться всего 1 доля топлива, чтобы топливовоздушная смесь сгорела полностью и выделила максимум теплоты.

Проблему «накачки» больших объем воздуха в цилиндры решили еще в первой половине минувшего века. Тогда автомобилестроители предложили оснастить транспорт механическим нагнетателем (компрессором). Они позволяли быстро «готовить» большие объемы топливовоздушной смеси для мощных двигателей. Простое и эффективное решение.

Но сами нагнетатели обладали рядом недостатков. Массивные, шумные и не слишком надежные, они скорее раздражали автолюбителей. Со временем их практически полностью вытеснили турбокомпрессоры. Теперь механическими компрессорами оснащают некоторые виды спортивного транспорта. В новых агрегатах для нагнетания атмосферного воздуха используется не энергия двигателя напрямую, а энергия отработавших газов, которые он попросту выбрасывает через выхлопную систему. Турбины относительно просты в обслуживании, они надежные и не слишком шумные. Это компенсирует проблему среднего КПД.

Как узнать, что турбина нуждается в ремонте или замене

Так как инженеры накопили достаточный опыт в производстве турбин, а их эксплуатацией занимаются миллионы автолюбителей, с описанием неисправностей и методиками их устранения проблем нет. Важно вот что: выяснить с точностью до километра, каков остаточный ресурс турбины, практически невозможно. Водитель может выявить неисправность турбины по факту ее появления. Вот на что обычно обращают внимание:

  • Падение давления наддува;
  • Ощутимый рост расхода масла;
  • Изменение цвета выхлопных газов на сизый;
  • Падение мощности авто;
  • Повышенная шумность турбины.

Мы рекомендуем автолюбителям обратить пристальное внимание на последний признак неисправности турбокомпрессора. При работе турбина не должна свистеть или издавать сильный гул. Если он становится явственно слышимым при повышении давления и оборотов, турбина нуждается в обслуживании или замене. Часто проблема решается заменой картриджа. Последний нуждается в балансировке, которая производится на специальных стендах. Водитель может рискнуть и поставить картридж без предшествующей балансировки. В большинстве случаев серьезных проблем с турбиной при этом не возникает.

Предположим, вы столкнулись сразу с двумя проблемами: турбина начала шуметь и ощутимо упала мощность двигателя. Сначала стоит проверить состояние катализатора (его «забитость»), вакуумный клапан, перепускную заслонку.

Нередко бывает так, что отработавшие газы движутся в обход клапана и не раскручивают колесо турбины должным образом. При этом падает КПД агрегата, что выливается в снижение мощностных показателей двигателя. В случае турбины на дизельном двигателе картина будет той же. Разве что цвет выхлопа изменится иным образом – станет синеватым или белым на малых оборотах или же черным, когда наблюдаются утечки воздуха.

Турбины и масло

Если вы считаете, что турбина должна «есть» масло, то вы абсолютно правы. Данный агрегат эксплуатируется в условиях высоких температур и может совершать свыше 150 тысяч оборотов в минуту! Без масла турбина попросту не сможет работать продолжительное время. Именно оно смазывает подшипники и отводит от них тепло. Из-за проблемной турбины масло может попадать во впускной коллектор и выхлопную систему. Току смазочного материала препятствуют детали, внешне похожие на стопорные кольца. Они прижимаются давлением, которое создают крыльчатки. Стоит давлению упасть ниже некоторой отметки, как масло начинает проходить через зазор между кольцом и картриджем.

Эксперты расходятся во мнениях касательно того, какие объемы масла расходуются турбокомпрессорами. Нормальные числа находятся в диапазоне 1,5-2,5 литра на 100 тыс. км. пробега. А вот выход за этот диапазон можно считать признаком серьезной неисправности. Среди основных причин выделяют:

  • Исчерпание ресурса воздушного фильтра;
  • Нарушение целостности крышки воздушного фильтра или заборного патрубка;
  • Высокий уровень картерного давления;
  • Использование неподходящего масла;
  • Засорение масляных патрубков;
  • Засорение катализатора;
  • Завышенный уровень масла в двигателе.

В народе принято говорить, что турбина бросает или кидает масло. Если такое происходит, то в первую очередь нужно проверить воздушный фильтр и состояние патрубков. Последние нужно промыть или заменить новыми. Далее стоит убедиться в том, что

давление в картере е находится в пределах нормы. Если это не так, то возможно одно из двух: элементы поршневой группы сильно изношены или засорена вентиляция картера. Очевидно, старое и грязное масло придется слить и залить новое. Отдавайте предпочтение жаростойким маслам.

Забрасывание масла турбиной не всегда связано с засором масляной и воздушной систем. Агрегат начинает расходовать масла при сильном износе подшипников и при осевом люфте крыльчатки. Если вы сделали все, что указано в предыдущем абзаце, то грешить стоит именно на турбину. И это самый плохой вариант, поскольку агрегат с высокой вероятностью придется заменить на новый. К примеру, заказать и установить новые подшипники турбины будет непросто. А если вышли из строя именно они, агрегат будет расходовать большие объемы масла. Здесь может помочь замена всего картриджа.

Осмотр турбины и ее правильная эксплуатация

Надеемся, что все вышеописанное помогло вам не только разобраться с устройством турбокомпрессоров, но и навести на некоторые мысли касательно особенностей их эксплуатации и обслуживания. Последнему мы, впрочем, уделим пристальное внимание прямо сейчас. Вот основные способы поддержания турбины в исправном состоянии:

  1. Следить за уровнем масла в двигателе и менять его согласно регламенту, а лучше чуть раньше – примерно на 90% его ресурса. Средний километраж, полученный опытным путем: 6500-7500 тыс. км.;
  2. Следить за состоянием воздушного фильтра и производить его регулярную замену. Если основной период эксплуатации фильтра выпал на позднюю весну и первую половину лета, то произведите его замену раньше обычного;
  3. Следить за уровнем охлаждающей жидкости и менять ее по необходимости.

Среди прочих рекомендаций: не ездить на авто с непрогретым мотором, не слишком часто нагружать двигатель до предела, отказаться от агрессивного стиля езды, давать компрессору немного остынуть перед тем, как заглушить двигатель. Рекомендуем регулярно осматривать патрубки на предмет механических повреждений. Ремонт турбины в гаражных условиях не рекомендован, но вполне осуществим. Вот что вы точно можете сделать:

  • Проверить люфт крыльчатки. Небольшой радиальный люфт нормален, но не осевой;
  • Осмотреть саму крыльчатку. Лопатки не должны иметь сколов, вогнутостей и т.п.;
  • Осмотреть корпус. Аналогично: никаких сколов, трещин и т.п.;
  • Очистить корпус от нагара.

Автолюбитель также может проверить актуатор турбины. Шток должен отклоняться примерно на сантиметр. Если снять деталь, вдавить шток и закрыть отверстие на его конце пальцем, то деталь не должна сразу вернуться в нормальное состояние. Отдельные модели актуаторов можно проверить только с помощью воздушного пистолета.

Ремонт турбины стоит доверить специалистам. Вы сможете выполнить часть работ самостоятельно даже в гаражных условиях, однако итоговое состояние агрегата может быть далеким от идеала. В лучшем случае оно будет иметь низкий КПД. Вот что предлагают специалисты:

  • Компьютерная диагностика;
  • Обработка деталей агрегата пескоструйным аппаратом;
  • Шлифовка ротора;
  • Балансировка ротора;
  • Балансировка нового картриджа и его установка;
  • Проверка состояния клапанов и их калибровка;
  • Проверка агрегата на стенде перед его установкой на автомобиль.

Вот что еще можно сделать без проблем: очистить корпус, разобрать турбину, произвести внешний осмотр, выявить люфты крыльчатки, произвести поверхностную очистку внутренних полостей турбины, собрать турбину и поставить на место. Прибавим к этому замену/очистку патрубков, замену воздушного фильтра, промывку масляной системы. Если вы готовы рискнуть, то можете поставить новый картридж без предварительной балансировки. Но мы все же рекомендуем отнести его специалистам. После нескольких манипуляций и двух проверок баланса на стенде новым картриджем можно будет оснастить турбину.

Вывод

Соблюдая простейшие правила эксплуатации, вы повысите не только ресурс турбины, но и множества других элементов авто. В их числе элементы масляной и воздушной систем, двигатель и вся выхлопная система. Качественная турбина на бензиновом автомобиля может без проблем проехать 150 тыс. км. и более. Для дизельных авто эта цифра возрастает до 250 тыс. км. Обычно проблему изношенной турбины с низким КПД удается решить установкой ремкомплекта турбины, в состав которого входит картридж. Такие комплекты или картриджи отдельно предлагают как крупные производители турбин (Garrett, Holset, BorgWarner, IHI), так и китайские производители и фирмы-упаковщики. Отметим, что китайские компании выпускают картриджи достойного качества.

Почему турбина вышла из строя?

У Вас сломалась турбина. Что делать?

В первую очередь необходимо выяснить и устранить причину выхода её из строя. Турбокомпрессор достаточно надежный агрегат и рассчитан на весь срок эксплуатации двигателя. Однако во время своей работы он тесно связан и зависим от исправности практически всех систем автомобиля. Безотказная работа турбины возможна только при полной исправности всех систем двигателя и его своевременном техническом обслуживании. 

Работая в тяжелых условия, до 300 000 об/мин и 900°C, турбина нуждается в безупречной работе слудующих систем: смазки, охлаждения, топливной, выхлопной, вентиляции картерных газов, управления работой двигателя и т. д. И самое главное — это сам двигатель. Если двигатель «парит», то турбина течет, даже если она новая и самая оригинальная. И заменой турбины, двигатель не починишь.

Для определения причины поломки турбокомпрессора его необходимо разобрать, сделать дефектацию. Опытный специалист по ремонту турбин, с вероятностью 90%, определит причину выхода турбины из строя и даст рекомендации, на что необходимо обратить внимание при установке новой турбины. Если поменять турбину ничего не делая, или сделать не всё, что рекомендуют, то вероятность её быстрого выхода из строя равна 99%.

Сами по себе детали турбокомпрессора не выходят из строя. Производители заверяют, что процент брака практически сведен к нулю. Вал сам по себе не ломается и лопатки сами по себе не отваливаются. Повреждения вызваны определенными причинами.

Рассмотрим основные, наиболее часто встречаемые, причины мешающие турбокомпрессору нормально работать.

1. Грязное масло

Любое масло, применяемое в двигателе внутреннего сгорания, имеет определённый срок службы. В процессе работы, масло загрязняется сажей образованной при сгорании топлива и самого масла, а также продуктами износа двигателя. Масляный фильтр не всегда фильтрует масло. При засорении масляного фильтра или при запуске двигателя в холодный период года, срабатывает редукционный клапан, и масло идёт мимо фильтра, прямо из поддона в систему смазки двигателя и турбокомпрессора. 

Если двигатель может кратковременно «пережить» грязное масло, у него обороты в среднем до 5 000 об.мин, и зазоры в деталях больше, то для турбины это «смерть». Рабочие обороты вала турбокомпрессора 80 000 – 150 000 об/мин. (на некоторых моделях и 250 000 – 300 000 об/мин.), а зазоры измеряются в микронах. При таких условиях работы, вал и подшипники турбины испытывают очень большие нагрузки, и любая твердая частица в масле образует царапины на них. Вращаться с высокими скоростям, валу турбины позволяет «масленый клин» образованный между валом и подшипником. Вал «плавает» в масле. Если масло будет чистым и качественным, то пара вал-подшипник будут работать очень долго. Образование царапин приведет к увеличению зазора между валом турбины и подшипниками, ослаблению «масленого клина» и как следствие появления «сухого трения» и интенсивного износа. 

Очень важную роль играет качество моторного масла. Для турбированных двигателей применяются специальные сорта масел, которые способны выдерживать более высокие температурные и механические нагрузки. При высоких температурах, а температура в коллекторе турбины достигает 900°C, некачественное масло начинает сворачиваться и коксоваться образуя нагар и густую смолянистую массу, обычно черного цвета. Это сокращает срок службы турбокомпрессора. Менять масло в двигателе мы рекомендуем не реже 10 000 км пробега. Не надо ездить на масле 30 000 км. Мы живем не в Германии. Наше топливо хуже и масло загрязняется быстрее.

2. Недостаточное количество проходимого через турбину масла

В турбокомпрессоре с неохлаждаемым корпусом масло выполняет еще одну очень важную функцию – оно отводит тепло от подшипников и вала турбины, прежде всего, со стороны выхлопного коллектора. При уменьшении проходимости масла через турбокомпрессор температура внутри корпуса резко увеличивается, масло начинает сворачиваться и коксоваться как в корпусе турбины, так и в трубках подачи и слива масла. Причиной этому может быть низкий уровень масла в двигателе, неисправность масляного насоса или редукционного клапана, закоксованность или деформация трубок подачи и слива масла. Важную роль играет и качество самого масла. Необходимо применять масла специально предназначенные для использования в турбированных двигателях.

3. Попадание посторонних предметов в область всасывания

Очень часто выход турбины из строя связан с попаданием твёрдых предметов в компрессорное колесо. Пыль, мелкий песок, насекомые и т.д. изнашивают лопатки компрессорного колеса постепенно, порой незаметно для хозяина автомобиля. Лопатки шлифуются этой пылью и стачиваются. Турбина теряет производительность. При попадании более крупных предметов как камни с дороги, окалина из системы рециркуляции выхлопных газов и клапана EGR, сгустки масла из системы вентиляции картерных газов, не удалённые гайки и фрагменты старой турбины из невычищенных патрубков, тряпки забытые при установке, вызывают более значительные повреждения компрессорного колеса. Возникает дисбаланс. Турбина начинает «выть» или разрушается. Надо не забывать, что турбина работает как хороший пылесос и поэтому необходимо обеспечить всасывание только воздуха через воздушный фильтр, а не посторонних предметов. При установке новой турбины необходимо устранить все негерметичные соединения в системе всасывания, заменить порванные патрубки, вычистить систему вентиляции картерных газов и систему рециркуляции отработанных газов.

   

   

4. Попадание посторонних предметов в область турбинного колеса

Лопатки турбинного колеса повреждаются окалиной из выпускного коллектора, отколовшимися фрагментами свеч накала, клапанов и сёдел, прогоревшими поршнями и прокладкой головки блока. Очень часто при установке турбины используют герметики вместо прокладок. После затвердения, вылезшие за края, кусочки герметика откалываются. Вылетая вместе с выхлопными газами эти предметы бомбардируют турбинное колесо и разрушают его. Также, противодавлением, как это ни странно, в турбину засасываются частицы разрушившегося катализатора. При неправильном смесеобразовании и засорении катализатора увеличивается температура в выпускном коллекторе, лопатки вала турбины оплавляются, а на коллекторе появляются трещины. Любое изменение положения и формы лопаток приводит к дисбалансу ротора и разрушению турбокомпрессора.

   


5. Засорение выхлопной системы

Очень важную роль, в безотказной работе турбины, играет проходимость выхлопной системы. Борясь за экологию, на современных автомобилях устанавливаются различные системы (катализаторы и DPF/FAP фильтра) уменьшающие вредность выхлопных газов. При засорении катализатора площадь выхлопной системы уменьшается, газам трудно выходить наружу и они создают осевые нагрузки на вал турбокомпрессора. Опорный подшипник интенсивно изнашивается, появляется осевой люфт вала турбины. Смещаясь по оси, вал и колесо начинают цеплять стенки горячей и холодной улиток, возникает дисбаланс и турбина разрушается. Возможно и «скручивание» вала турбины обратными вихревыми потоками выхлопных газов. Катализаторы и DPF/FAP фильтра подлежат замене каждые 180—200 тыс.км.


6. Превышение допустимой частоты вращения вала турбокомпрессора
Превышение допустимой частоты вращения ротора турбокомпрессора или «перекручивание» турбины возникает при перенаддуве(передуве) . Передув происходит из-за неисправности клапана регулировки(сброса) давления, заклинивании лопаток геометрии, ЧИП тюнинге, неправильном смесеобразовании и т.д. При «перекручивании» турбины возникают повышенные нагрузки на вал и опорные подшипники. Это приводит к вытеснению масла из зоны трения, перегреву и повышенному износу последних. Вал при передуве обычно ломает по опасному сечению.

   

границ | 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 неисправности начинают развиваться, 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 в связи с тем, 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, традиционные 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, состоящие из обычного топлива на основе керосина Jet-A1 и биотоплива 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 различных соотношениях воздуха и топлива в двигателе, находится Honeywell GTCP85-129, который является вспомогательной силовой установкой типа 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 сжатый воздух высокой температуры (~232°C при абсолютном давлении 338 кПа) в салон 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 массы воздушного воздуха м кровотечение и может быть выражено как W C 2 = м кровотечение C P DT , с c p представляет собой 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 повышению температуры выхлопных 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 лопастей турбины до тех пор, пока не будет достигнута автономная работа двигателя.

На опорную конструкцию двигателя был помещен пьезоэлектрический акселерометр с чувствительностью 10 мВ/г, 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 уже 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, извлечение 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).

первый, D -Dimence Matrix x x = { x 1 , …, x 9002 n } Класс 𝒩 был построен.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 23 Z = { Z 1 , …, Z L } Содержащие данные с обоих классов (25% условий двигателя находятся из класса 𝒜), было 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 вдвое большее разрешение по частоте, чем исходный сигнал, поскольку 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 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 0 9 ,1 , который фиксирует высокочастотный контент ( f s /4, f s /2) Гц.После j уровней разложения Коэффициенты из выхода каждого фильтра собраны на матрице C N N , соответствующие условиям двигателя N 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 остальных из 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.

Элементы низкого размера

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 и собственные вещества U K K K K K S C из 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 , то есть 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 заменены функцией ядра. В KPCA отображение ϕ двух точек данных, т.е.G., N -й и м и N N и и C и M , соответственно, получают с функцией ядра RBF следующим образом :

k(cn,cm)=ecn−cm22σKPCA2. (8)

Используя приведенное выше сопоставление, 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 указанную 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 ковариата 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 .

Модель обучения 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 отображения обучающих данных 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 отображаемые 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 неправильную 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 из 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 данного 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 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. Набор инструментов 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 заданы 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, а 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 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 подходов, обсуждаемых 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 выбора ν и γ с использованием метода 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 того, что существует высокая изменчивость 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.

Ссылки

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 Trans. 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, JC, 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 шаблонов . 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

Возвращение в будущее с Chrysler Turbine Car 1963 года выпуска

Из майского выпуска журнала Car and Driver за 1989 год.

Некоторые парни утверждают, что могут видеть будущее, а я сам время от времени люблю щуриться, глядя на него.Но это маленькое приключение будет обратным, вроде того, как подойти к дульному концу и заглянуть в ствол, пытаясь понять, почему мы услышали хлопок, а потом ничего не вышло.

Старая корпорация «Крайслер» собиралась выпускать машины с газотурбинными двигателями, как только… ну, чертовски скоро. То, что начиналось — в умах нескольких инженеров, вдохновленных изобретательностью Второй мировой войны, — как мозговой штурм, который мог бы сработать, в октябре 1953 года превратилось в опытный образец: компания Chrysler начала испытания стандартного Plymouth 1954 года с двигателем турбина.Шло десятилетие, все больше и больше прототипов турбин вылетало из инженерного отдела Chrysler на улицы Америки, где их снимали на пленку и фотографировали в каждой газете, журнале по механике и автомобильной книге страны. У «Дженерал Моторс» и «Форда» тоже были турбины, но «Крайслер», казалось, был впереди, ближе всех к тому дню, когда мы все будем кружить в автомобилях реактивного века, лишенных систем охлаждения, глушителей, поршней, клапанов, карбюраторов и необходимости для бензина. Они работали бы на керосине или дизельном топливе или, черт возьми, даже на водке, если бы вы были любителем вечеринок.Публицисты Chrysler на пресс-концерте дошли до того, что влили несколько драгоценных унций модных французских духов. Согласно отзывам, все, что он сделал, это придал выхлопу запах «пришедшего сюда».

Дик КеллиМашина и водитель

Этот газотурбинный энтузиазм нарастал сам по себе, пока, наконец, будущее не начало терять свою туманность. 14 мая 1963 года в отеле Essex House в Нью-Йорке компания Chrysler представила газотурбинный автомобиль, который не был прототипом.Это был первый из 50 одинаковых гламурных автомобилей Ghia с мерцающим бронзовым кузовом, которые собирались давать в аренду обычным людям для поездок на работу, поездок по улицам или для того, что обычные люди делали с автомобилями. По словам Крайслера, единственная цель состояла в том, чтобы определить реакцию типичных американских водителей на автомобили с газотурбинным двигателем. Иными словами, подлинное исследование рынка, подразумевающее, что, если люди там будут достаточно тяжело дышать и давать другие признаки готовности подписывать чеки, скоро турбины могут быть в каждом дилерском центре Chrysler от моря до сияющего моря.

Конечно, это было тогда, а это сейчас, и на участке Честного Эла в вашем районе ровно ноль подержанных автомобилей Chrysler Turbine Cars с нулевым пробегом. Будущее, видимо, дало осечку. И в этот поздний день вашего автора отправляют в темную дыру с инструкциями отчитаться.

Мы идем по коридору главного здания полигона Chrysler в Челси, штат Мичиган. Желтовато-желтые металлические стены выглядят такими же свежими и без следов, какими я их помню, когда я впервые установил законцовку крыла на место в качестве новичка-инженера Chrysler летом 1963 года, всего через несколько дней после аварии. Были анонсированы турбинные автомобили Ghia.

Дик КеллиМашина и водитель

Поворачиваемся к вывеске с золотыми буквами на синем фоне, которая гласит: «Выставочный зал». Вид этого вызывает зуммер на чердаке моего разума. Я забыл про демонстрационный зал. Это было помещение размером с просторный гараж на одну машину, со стальными стенами и прочными промышленными дверями, ведущими в главный магазин. Выставочный зал предназначался для просмотра будущего. Любой прототип, настолько увеличенный, что он перестал работать в обычном цеху, отвозили в демонстрационный зал.Машины, настолько совершенные, что они не могли находиться снаружи без покрытия, направлялись внутрь. Стальные двери были закрыты. Крышку сняли. И вот оно, , узри и трепещи , будущее!

Но, как я уже сказал, сегодня мы смотрим на другой конец ствола. Дверь открывается, и я вхожу в 1963 год.

Я только что вернулся с обеда или что? Ничего не изменилось. Стены все еще светло-желтые, рабочие столы серые, ящики для инструментов красные. И Turbine Car по-прежнему совершенно гламурен, его стремительная форма полностью украшена сверкающим драгоценностями хромом и блестящей бронзой, как у какой-нибудь танцовщицы на Копакабане.Я чувствую, что должен свистнуть.

Как и все танцовщицы, эта выглядит немного потрепанной, если подойти ближе. У нее крошечные морщины на боках от дверей, которые хлопали в нее на парковках. Но она все еще знает, как принять позу.

Я видел много машин с турбинами в дни моей карьеры в Крайслере, они кружили вокруг Инженерного комплекса, словно рулили Боинги, оставляя за собой теплое облако реактивного дыхания, которое кружило вокруг моих лодыжек, когда они проезжали мимо. Однако, несмотря на их количество, они всегда были загадочными кораблями.Поймать одного на увеселительную прогулку было сложно: мне так и не удалось. Парни, работавшие в турбинной лаборатории, стояли особняком. Некоторые из моих друзей перевелись туда, когда программа была на подъеме. Как будто они вступили в секту. После этого они больше не разговаривали у кофейного автомата и больше не возвращались к обеденным столам в старой столовой. Слухи о специальных высокотемпературных материалах и достижениях в области повышения эффективности ходили по слухам инженеров, но я ни разу не слышал, чтобы кто-нибудь из турбинистов сказал хоть слово. Я тоже не помню, чтобы видел хоть одну улыбку.

Дик КеллиМашина и водитель

Я спрашиваю об этом Джорджа Стечера. Можно сказать, что он один из оригинального состава: 39 лет в Chrysler, работал над турбинами до самого конца программы, до сих пор поддерживает их огонь. Сегодня утром он приехал в Челси, чтобы пережить это приключение.

О культе он говорит просто: «Джордж Хюбнер умел вдохновлять своих людей».

Да, Джордж Хюбнер, я помню, как он шагал по коридорам: высокий, чопорный, как генерал, германец в седых волосах и очках в стальной оправе, со всеми острыми складками и хрустящим воротничком — человек на миллион долларов.Проект турбины был его делом. С ним было невозможно спорить.

Стехер воспроизводит детали турбинных дней Крайслера, как если бы они произошли в начале недели. Всего, по его словам, было построено 55 таких автомобилей Ghia, 45 из них были взяты напрокат у избранных «клиентов». С 29 октября 1963 года, когда вышел из строя первый автомобиль, до 28 января 1966 года, когда был возвращен последний, 203 автомобилиста получили трехмесячный испытательный срок.

Автомобили были оформлены в Chrysler под руководством Элвуда П.Энгель, который тогда только что вышел из Форда. По силуэту машины Turbine выглядели как Thunderbirds того времени. Вероятно, так Энгель думал, что должен выглядеть четырехместный автомобиль. Кузова были изготовлены вручную в Италии и оснащены двигателями и шасси на заводе Chrysler в Гринфилде.

«В мире осталось девять», — говорит Стечер. «У Крайслера их три».

Дик КеллиМашина и водитель

В старинном слухе 1960-х годов говорилось, что автомобили были ввезены беспошлинно в течение ограниченного времени и в конечном итоге будут списаны, чтобы избежать уплаты пошлины.Недавно до меня дошли слухи о большом кладбище машин с турбинами в каком-то отдаленном уголке испытательного полигона. Стечер подтверждает слухи. Единственным спасением от налога было отправить их обратно в Италию или отдать в музеи в нерабочем состоянии. Шесть автомобилей отправились в музеи со снятыми двигателями и установленными на выставочных стендах. Но музейные коллекции, похоже, не вечны, и сейчас несколько машин с турбинами переходят в частные руки. По причуде налоговых правил, после пяти лет эксплуатации автомобили навсегда освобождаются от уплаты пошлины.Продавец Domino’s Pizza, Том Монаган, недавно приобрел для своей коллекции машину с турбиной, хотя кто-то опередил его в двигателе.

Что насчет кладбища? Элмер Кил, координатор испытательного полигона, кивает. «Мы резали их, ломали, сжигали. Я плакал, но мы должны были это сделать».

Однако он смеется над другим аспектом работы по утилизации. Когда время уничтожения приблизилось, сотрудники полигона начали угощаться несколькими сувенирами. Фаворитом была хромированная центральная часть колпаков колес.Это был чистый мотив Turbine, нечто в форме тарелки с внутренними плавниками. Из нее получилась отличная пепельница, и у многих курильщиков она стояла на столе. Затем в один прекрасный день, без предупреждения, все они исчезли. Никто не знал почему. Таможня США, может быть?

Нет. Бригада ночных уборщиков обнаружила, что пепельницы с внутренними ребрами неудобно чистить, поэтому они провели небольшую операцию по утилизации самостоятельно.

Дик КеллиМашина и водитель

Я спрашиваю Штехера, почему турбины так и не были запущены в производство.Он говорит, что большие улучшения произошли быстро в первые дни, и оптимизм был повсюду. Но по мере того, как уровень техники приближался к приемлемому для легковых автомобилей уровню, прогресс начал тормозиться. Какое-то время выбросы NOx были огромными. Когда этот барьер был наконец преодолен, наступил энергетический кризис. Экономия топлива всегда была недостатком турбины, но пятнадцать лет разработки довели ее примерно до паритета с большими автомобилями с двигателем V-8 того времени — 17 или 18 миль на галлон за поездку, где-то там.Но когда напуганные кризисом покупатели автомобилей начали обращать внимание на импортные автомобили с расходом топлива 30 и 40 миль на галлон, оптимизм в отношении турбин поугас. В середине 1970-х Chrysler выиграла государственный контракт на 6,4 миллиона долларов на разработку турбины. В начале 1980-х на стадии моделирования находилась даже компактная переднеприводная турбина. Но с точки зрения инженера-турбиниста будущее выглядело ужасно. Турбина может быть высокоэффективным двигателем при работе на постоянной скорости, как в самолете или на электростанции, но она прожорлива при движении с частыми остановками.Первоначальная привлекательность автомобилей заключалась в идеальной плавности хода и, скажем прямо, в новизне. Но тот сценарий, который не предвидели в те безумные послевоенные годы, оказался именно тем, что должен был осуществиться. Топливо должно было быть ограничено. В апреле 1981 года компания Chrysler окончательно смирилась с такой точкой зрения и в последний раз выключила свет в лаборатории турбин.

Я достаточно хорошо помню жужжание Турбины, но есть много оттенков жужжания. По шкале от Boeing до Cuisinarts я бы точно не вспомнил, где это подходит.Но теперь, когда зажигание включено, а лопасти раскручиваются до предела, я слышу порывы воздуха, это чистый Electrolux. Принеси ковер.

Стрелке тахометра требуется около трех секунд, чтобы подняться до холостого хода — при 22 000 об/мин. Вихрь пронзительный и воздушный, совершенно не подходящий для автомобиля. И вообще идеально подходит для фантастических путешествий.

Конечно, интерьер просто фантастический. Три циферблата с глубокими туннелями, сгруппированные, как пушки, указывают на меня через закрытое отверстие в приборной панели. Бронзовая кожа сочетается с любой поверхностью, кроме хрома.Яркая консоль с мотивом турбины простирается от брандмауэра до багажника, разделяя кабину пополам. На циферблате радио есть два символа Гражданской обороны, каждый из которых представляет собой треугольник в круге, показывая, где настраиваться, когда коммуняки бросают большой. Тахометр показывает 60000 об/мин.

Стечер нервничает из-за двигателя. Он говорит, что температура на входе в турбину высока примерно на 75 градусов. Моя идея взлета на полной мощности в туманную даль испытательного полигона его ничуть не забавляет. Так что нам придется отправиться в круиз.

Дик КеллиМашина и водитель

Мой мозг был вызван на тяжелый посреднический сеанс между глазами, которые говорят «автомобиль», и ушами, которые твердят «Боинг». Уши знают о реактивных самолетах, знают, как свистит двигатель, и вскоре скорость набирает обороты. Турбинный автомобиль делает это так, как если бы двигатель не был связан с ведущими колесами. Круиз составляет слизь. Я нажимаю на педаль, и мы движемся вперед. Стрелка тахометра подскакивает на тысячи оборотов; спидометр кажется успокоительным.

Турбина Автомобильная жижа, скользкая, как чистый полиэстер. В этом была мистика. Без вибрации точно. Но и отталкивающий, потому что он так оторван от работы по поступательному движению — как старый Hydramatic, только в большей степени.

Забудьте все, что вы знаете об автомобилях. Турбина представляет собой двухкомпонентный двигатель. Свистящая часть — это секция компрессора, которая работает постоянно, увеличивая и уменьшая обороты в ответ на поток топлива, регулируемый ногой. Работа компрессора заключается в подаче горячего воздуха к силовой турбине, которая соединена с трансмиссией.Между компрессором и силовой турбиной нет никакой связи, кроме горячего ветра. Остановитесь на светофоре, и силовая турбина тоже остановится, горячий ветер будет дуть через лопасти, ожидая, когда вы отпустите тормоза и заправитесь взрывом.

Двигатель работает как собственный преобразователь крутящего момента, должен добавить, исключительно свободный. И это источник чувства разъединения. Chrysler использовал трехступенчатую автоматическую коробку передач без обычного гидротрансформатора, чтобы оживить движение по городу.

Стехер только сейчас заметил, что этот не смещается. Неудивительно, что машина глохнет. Запчастей для турбинных автомобилей осталось не так много. Его лицо выражает разочарование владельца: «О нет! Что теперь?»

Ах, но нам не нужна передача для круиза. Кроме того, кому нужна коробка передач на самолете? Звук двигателя абсолютно убедителен. Вы знаете, как в «Боинге» вихрь струи плавно переходит в счастливую гармонию с напором наружного воздуха на крейсерской скорости? Когда мы приближаемся к скорости 0,1 Маха, Турбинный Автомобиль делает то же самое.

Мой голос становится хриплым, протяжным, и я чувствую побуждение сказать: «Это говорит ваш капитан».

Технические характеристики

ХАРАКТЕРИСТИКИ

1963 Chrysler Turbine Car

ТИП АВТОМОБИЛЯ
передний двигатель, задний привод, 4 пассажира, 2-дверное купе

ТИП ДВИГАТЕЛЯ
регенеративная газовая турбина, корпус из железа с алюминиевым компрессором, стальным рабочим колесом и турбинами из алюминиевого сплава
Мощность  
130 л.с. вал

ТРАНСМИССИЯ
3-ступенчатая автоматическая

ШАССИ
Подвеска (П/П):  рычаги управления/ведущая ось
Тормоза (П/П):  10.0-дюймовые чугунные барабаны/10,0-дюймовые чугунные барабаны
Шины: Goodyear бескамерные, 7,75 x 14

РАЗМЕРЫ
Колесная база: 110,0 дюйма
Длина: 201,6 дюйма
Ширина: 72,9 дюйма  
Высота: 53,5 дюйма
Снаряженная масса: 3900 фунтов

C/D РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ
60 миль/ч: 13,2 с
Максимальная скорость: 185 миль/ч

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты.Вы можете найти дополнительную информацию об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

Новаторы Purdue разрабатывают новую технологию предупреждения о срыве двигателя для газотурбинных двигателей

WEST LAFAYETTE, Ind. – Газотурбинные двигатели часто считаются «сердцем» самолетов и кораблей. Теперь новаторы Университета Пердью, ищущие новые решения для снижения выбросов и улучшения работы этих двигателей, придумали технологию, аналогичную тестам, используемым на человеческом сердце.

Исследователи Purdue разработали технологию типа электрокардиограммы для газотурбинных двигателей, чтобы отслеживать ритмы и предупреждать о возможной остановке компрессора.

«Эффективный метод предупреждения и предотвращения сваливания двигателя имеет большое значение для газотурбинных двигателей, используемых в авиации и наземных установках», — сказала Николь Ки, профессор машиностроения в Purdue. «Остановка — это тип нестабильности потока в компрессорах, который устанавливает предел низкого расхода для работы газотурбинного двигателя.Когда компрессор глохнет, это может привести к серьезному повреждению газотурбинных двигателей. Подобно сердечному приступу у людей, остановка компрессора может произойти без явных предвестников».

Технология предупреждения о остановке компрессора Purdue использует датчики для записи данных во время работы, а затем использует новую процедуру обработки сигналов для определения состояния двигателя.

«Трудно отличить небольшие помехи, связанные с остановкой компрессора, от тех, которые связаны с турбулентным потоком», — сказал Фанъюань Лу, исследователь из лаборатории Ки.«При появлении очевидных предвестников газотурбинный двигатель глохнет в течение нескольких миллисекунд. Этого времени недостаточно для предупреждения, чтобы действовать».

Инженеры Purdue использовали нелинейный алгоритм извлечения признаков, чтобы выделить ранние и малые предвестники остановки, предоставив достаточно времени для предупреждения, чтобы принять меры по исправлению ситуации.

Новаторы работали с отделом коммерциализации технологий Purdue Research Foundation, чтобы запатентовать свою технологию.

 

Исследователи Университета Пердью разработали технологию типа электрокардиограммы для газотурбинных двигателей, чтобы отслеживать ритмы и предупреждать о потенциальной остановке компрессора.(Изображение предоставлено) Скачать изображение

Новаторы и OTC ищут партнеров для продолжения разработки своей технологии. Для получения дополнительной информации о лицензировании и других возможностях свяжитесь с Мэтью Халладеем из OTC по адресу [email protected] и укажите код отслеживания 2019-LOU-68639.

О компании Purdue Research Foundation Управление по коммерциализации технологий

Отдел коммерциализации технологий Purdue Research Foundation реализует одну из наиболее комплексных программ передачи технологий среди ведущих исследовательских университетов США.S. Услуги, предоставляемые этим офисом, поддерживают инициативы Университета Пердью в области экономического развития и приносят пользу академической деятельности университета за счет коммерциализации, лицензирования и защиты интеллектуальной собственности Пердью. Офис расположен в Центре конвергенции инноваций и сотрудничества в районе Дискавери-Парк, рядом с кампусом Пердью. В 2020 финансовом году офис сообщил о заключении 148 сделок, подписании 225 технологий, получении 408 раскрытий и 180 выпущенных U.С. патенты. Офис находится в ведении исследовательского фонда Purdue Research Foundation, получившего в 2019 году Премию университетов за инновации и экономическое процветание от Ассоциации государственных и земельных университетов. В 2020 году Институт IPWatchdog поставил Purdue на третье место в стране по созданию стартапов и в топ-20 по патентам. Purdue Research Foundation — это частный некоммерческий фонд, созданный для продвижения миссии Purdue University. Свяжитесь с [email protected] для получения дополнительной информации.

Об университете Пердью

Университет Пердью — ведущее государственное исследовательское учреждение, разрабатывающее практические решения самых сложных задач современности.Purdue занимает 5-е место в рейтинге самых инновационных университетов США по версии US News & World Report и проводит исследования, которые меняют мир, и невероятные открытия. Стремясь к практическому и онлайн-обучению в реальном мире, Purdue предлагает преобразующее образование для всех. Стремясь обеспечить доступность и доступность, Purdue заморозил плату за обучение и большинство сборов на уровне 2012–2013 годов, что позволило большему количеству студентов, чем когда-либо, закончить обучение без долгов. Посмотрите, как Purdue никогда не останавливается в настойчивом стремлении к следующему гигантскому скачку в Purdue.образование

Автор: Крис Адам , [email protected]

Источники:
Николь Ки, [email protected]

Фанъюань Лу, [email protected]

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 Turbine Division была ничтожно мала из-за обещания равной суммы от продажи каждого 747-го.

Газотурбинные двигатели — PetroWiki

Размер газовых турбин варьируется от микротурбин мощностью < 50 л.с. (37,3 кВт) до крупных промышленных турбин мощностью > 250 000 л.с. (190 кВт). На этой странице основное внимание уделяется газотурбинному двигателю, различиям между типами турбин и аспектам, которые следует учитывать при их применении в качестве первичного двигателя.

Процесс

Как показано на рис. 1 и рис. 2 , «открытый» цикл Брайтона является термодинамическим циклом для всех газовых турбин.Этот цикл состоит из:

  • Адиабатическое сжатие
  • Обогрев с постоянным давлением
  • Адиабатическое расширение

Газовая турбина состоит из следующих компонентов:

  • Воздушный компрессор
  • Камера сгорания
  • Силовая турбина, производящая энергию для привода воздушного компрессора и выходного вала
  • Рис. 1—Упрощенная схема ГТУ простого цикла.

  • Рис.2—Типичный «открытый» цикл Брайтона для газовых турбин.

Воздух поступает на вход компрессора в условиях окружающей среды (точка 1), сжимается (точка 2) и проходит через систему сгорания, где соединяется с топливом и «сжигается» до максимальной температуры цикла (точка 3). Нагретый воздух расширяется через секцию турбины газогенератора (между точками 3 и 5), где энергия рабочего тела извлекается для выработки мощности для привода компрессора, и расширяется через силовую турбину для привода нагрузки (точка 7). .Затем воздух выбрасывается в атмосферу. Система запуска используется для разгона воздушного компрессора до скорости, достаточной для подачи воздуха для горения топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания. Цикл сгорания турбины с непрерывным горением в сочетании с непрерывным вращением ротора турбины обеспечивает работу практически без вибраций, а также меньшее количество движущихся частей и точек износа, чем у других первичных двигателей.

Рассмотрение конструкции и эксплуатация

Максимальная температура цикла, TRIT

Выходная мощность газовой турбины может быть увеличена за счет увеличения максимальной температуры цикла.Максимальная температура цикла обозначается TRIT, что означает температуру на входе в ротор турбины. API 616 определяет номинальную температуру горения как рассчитанную поставщиком температуру на входе в турбину (TIT) непосредственно перед ротором турбины первой ступени для непрерывной работы при номинальной выходной мощности. TRIT рассчитывается непосредственно перед ротором турбины первой ступени и включает расчетное влияние охлаждающего воздуха и падения температуры на лопатках статора первой ступени.

Воздушный поток

Выходная мощность газовой турбины также может быть увеличена за счет увеличения массового расхода воздуха через газовую турбину.Геометрия газовой турбины, особенно компрессора, и скорость компрессора определяют основной массовый расход воздуха. Увеличение расхода требует увеличения скорости, которая ограничена максимальной непрерывной скоростью работы любой конкретной конструкции. При заданной скорости увеличение плотности воздуха на входе увеличивает массовый расход воздуха. Плотность входящего воздуха увеличивается прямо пропорционально атмосферному давлению и обратно пропорционально температуре окружающей среды.

Основными параметрами, влияющими на выходную мощность, являются скорость и TRIT для любой заданной механической/аэродинамической конструкции.Увеличение любого из этих параметров увеличивает выходную мощность газовой турбины. Скорость и температура могут определяться требуемой выходной мощностью и скоростью нагрева с учетом ограничений, налагаемых следующими факторами:

  • Срок службы компонентов
  • Стоимость
  • Техническая возможность

Ограничение скорости

По мере увеличения скорости газовой турбины увеличиваются центробежные силы на вращающихся компонентах. Эти силы увеличивают нагрузку на вращающиеся компоненты, особенно следующие:

  • Диски
  • Лезвия
  • Крепление лезвия к диску

Материалы компонентов имеют пределы напряжений, которые прямо пропорциональны их пределам скорости, и их нельзя превышать.Таким образом, максимальная непрерывная скорость вращающегося элемента зависит от:

  • Геометрия ротора
  • Свойства материалов компонентов
  • Расчетные коэффициенты безопасности

Это максимально допустимая скорость для непрерывной работы.

Температурные ограничения

Одним из способов увеличения выходной мощности является увеличение расхода топлива и, следовательно, TRIT. По мере увеличения TRIT компоненты горячей секции работают при более высоких температурах металла, что сокращает время между проверками (TBI) газовой турбины.Поскольку срок службы материалов горячей секции ограничен напряжением при высокой температуре, существуют ограничения на максимальные температуры для данного TBI. Срок службы материала быстро снижается при более высоких температурах. TBI является функцией времени при TRIT и скорости изменения TRIT во время переходных процессов, таких как запуск. Предел ползучести или разрыва определяется свойствами материала в зависимости от уровня напряжения и рабочей температуры.

Рейтинговый балл

Для определения производительности газовой турбины для определенных условий окружающей среды, потерь в канале, топлива и т. д. может быть установлен рейтинговый балл.

Международная организация по стандартизации определяет свои стандартные условия следующим образом:

  • 59°F
  • 1,013 бар
  • 60% относительной влажности без потерь

Это стало стандартным рейтингом для сравнения турбин различных производителей и конструкций.

Рейтинг сайта

Рейтинг площадки представляет собой заявление об основных характеристиках газовой турбины в конкретных условиях площадки, включая:

  • Температура окружающей среды
  • Высота
  • Потери давления в воздуховоде
  • Контроль выбросов
  • Состав топлива
  • Вспомогательный механизм отбора мощности
  • Вытяжной компрессор
  • Уровень выходной мощности

Например, повышение температуры окружающей среды снижает выходную мощность со скоростью, зависящей от конструкции газовой турбины.

Температура воздуха на входе

На рис. 3 показано следующее для температуры воздуха на входе при оптимальной частоте вращения силовой турбины для примера газовой турбины:

  • Выходная мощность
  • Расход топлива
  • Температура выхлопных газов
  • Выпускной поток
  • Рис. 3—Выходная мощность в зависимости от температуры воздуха на входе в компрессор.

Повышение эффективности турбины

Простой цикл

Большая часть механической энергии, извлекаемой из газового потока турбиной, требуется для привода воздушного компрессора, а оставшаяся часть используется для привода механической нагрузки.Энергия газового потока, не отбираемая турбиной, отбрасывается в атмосферу в виде тепла.

Рекуперативный цикл

В рекуперативном цикле, также называемом регенеративным циклом, нагнетаемый компрессором воздух предварительно нагревается в теплообменнике или рекуператоре, источником тепла которого является выхлоп газовой турбины. Энергия, передаваемая от выхлопных газов, уменьшает количество энергии, которое должно быть добавлено топливом. На рис. 4 экономия топлива представлена ​​заштрихованной областью от 2 до 2′.В стационарных рекуператорах используются три основных конструкции:

  • Пластинчатое оребрение
  • Кожух и трубка
  • Основная поверхность
  • Рис. 4—Рекуперативный цикл.

Комбинированный цикл

При добавлении цикла парового дна к циклу Брайтона тепло выхлопных газов используется для производства дополнительной мощности, которую можно использовать в общей нагрузке, как показано на рис. 5 , или в отдельной нагрузке.Заштрихованная область представляет собой дополнительный вход энергии.

Система впуска воздуха

Фильтрация входящего воздуха. Качество воздуха, поступающего в газовую турбину, является очень важным фактором при проектировании. КПД турбины со временем будет снижаться из-за образования отложений на внутреннем тракте турбины и на вращающихся лопастях. Это накопление приводит к повышенному техническому обслуживанию и расходу топлива. Выбор и обслуживание надлежащей системы фильтрации приточного воздуха для конкретных условий объекта будет влиять на скорость снижения эффективности с течением времени.

Падение давления

Крайне важно свести к минимуму падение давления воздуха, проходящего через: Впускной воздуховод Впускной воздушный фильтр Впускной глушитель (см. Шумоподавление ниже)

Потеря давления атмосферного воздуха, поступающего в турбину, сильно влияет на работу газовой турбины.

Шумоизоляция

Шум, создаваемый газовой турбиной, в основном относится к высокочастотным диапазонам, которые не передаются так далеко, как низкочастотные шумы, создаваемые низкоскоростными первичными двигателями, такими как поршневые двигатели.Большая часть высокочастотного шума, производимого турбиной, генерируется на входе воздуха, а меньшая часть исходит от выхлопных газов. Источники шума и методы ослабления следующие:

Воздухозаборник

Глушитель на входе должен быть специально разработан с учетом профиля шума газовой турбины и требований площадки. Этот глушитель устанавливается в воздуховоде воздухозаборника между воздушным фильтром и входом воздушного компрессора турбины.

Выхлоп

Глушитель выхлопа должен быть специально разработан с учетом профиля шума газовой турбины и требований площадки.Высота выхлопной трубы в сочетании с глушителем является важным фактором. Выпуск горячих выхлопных газов настолько высоко, насколько это практически возможно, снижает измеримый шум на уровне земли, а также имеет дополнительное преимущество, заключающееся в уменьшении вероятности рециркуляции горячих выхлопных газов обратно в воздухозаборник. Потеря давления (противодавление) на выхлопе турбины сильно влияет на производительность газовой турбины.

Корпус/коробка передач/приводное оборудование

Звукоизоляционный кожух (кожухи) может быть установлен непосредственно над оборудованием, таким как установленные на салазках кожухи или здание, в котором находится оборудование, изолированное в соответствии с требованиями, или и то, и другое.

Масляный радиатор

Наиболее распространенным методом охлаждения масла является использование теплообменников/радиаторов. Они создают шум вентилятора, который можно контролировать с помощью скорости вращения кончика вентилятора. Использование кожухотрубных охладителей воды может быть эффективным с точки зрения шума при наличии охлаждающей среды.

Типы газовых турбин

Конструкции турбин можно различать по:

  • Вид работы
  • Тип камеры сгорания
  • Конфигурация вала
  • Степень упаковки

Режимы работы

Авиационные газотурбинные двигатели

Авиационные газотурбинные или реактивные двигатели имеют очень сложную конструкцию для облегчения веса специально для двигателей самолетов.Эти конструкции требуют максимальной мощности или тяги при минимальном весе и максимальной эффективности использования топлива. Турбины самолетов имеют роликовые подшипники и высокие температуры горения, требующие экзотической металлургии. Они могут работать на ограниченном количестве видов топлива. Когда реактивный двигатель используется в промышленности, он должен быть соединен с независимой силовой турбиной для создания мощности на валу.

Газотурбинные двигатели тяжелой промышленности

Основные конструктивные параметры тяжелых промышленных газотурбинных двигателей были разработаны на основе промышленных паровых турбин, которые имеют более низкие скорости, тяжелые роторы и более крупные корпуса, чем реактивные двигатели, чтобы обеспечить более длительный срок службы.Эти газовые турбины способны сжигать самый широкий спектр жидкого или газового топлива.

Газотурбинные двигатели легкой промышленности

Основные конструктивные параметры и технология, используемые в авиационных турбинах, могут быть объединены с некоторыми аспектами конструкции тяжелых промышленных газовых турбин для получения более легкой промышленной турбины со сроком службы, приближающимся к сроку службы тяжелой промышленной газовой турбины. Эти двигатели называются газотурбинными двигателями легкой промышленности.

Тип камеры сгорания

Радиальная или кольцевая камера сгорания

Эта камера сгорания окружает вращающиеся части газовой турбины и является неотъемлемой частью корпуса двигателя ( Рис.6 ). Эта конструкция используется в авиационных турбинах и газовых турбинах легкой промышленности.

  • Рис. 6—Типичный разрез газовой турбины.

Камера сгорания

Это система с одним или несколькими камерами сгорания, которая отделена от вращающейся турбины внешними камерами сгорания ( рис. 7 ). Конструкции, использующие этот тип камеры сгорания, могут сжигать более широкий спектр топлива.

  • Рис. 7—Типичная газовая турбина с камерой сгорания (в разрезе).

Конфигурация вала

Одинарный вал

Газовая турбина может иметь как одновальную, так и двухвальную конструкцию. Одновальная конструкция состоит из одного вала, соединяющего воздушный компрессор, газогенераторную турбину и силовую турбину как один вращающийся элемент ( рис. 1 ). Эта конструкция лучше всего подходит для приложений с постоянной скоростью, таких как привод электрических генераторов с постоянной частотой.

Два вала

Двухвальная конструкция имеет воздушный компрессор и генератор газа на одном валу, а силовую турбину на втором независимом валу.Эта конструкция обеспечивает гибкость скорости, необходимую для более эффективного охвата более широкой карты производительности приводимого оборудования. Это позволяет производителю газа работать со скоростью, необходимой для развития мощности, необходимой для приводного оборудования, такого как центробежные компрессоры или насосы. На рис. 6 показан вид в разрезе типичной двухвальной газовой турбины. Основные компоненты включают компрессор, систему сгорания, газогенераторную турбину и силовую турбину. Эта конструкция включает двухступенчатую газогенераторную турбину и двухступенчатую силовую турбину.

Степень упаковки

Норма для большинства газовых турбин, используемых в промышленности, состоит из включения газовой турбины в базовую раму/салазки со всеми компонентами, необходимыми для основного рабочего блока. Сюда входят такие системы, как:

  • Система запуска
  • Топливная система
  • Система смазки
  • Местное управление
  • В некоторых случаях коробка передач и ведомое оборудование

Дополнительные системы, необходимые для эксплуатации, как правило, представляют собой отдельные предварительно спроектированные комплексные системы, которые могут быть предоставлены и настроены производителем турбины.В эту категорию входят такие системы, как:

  • Фильтрация/глушение воздуха на входе
  • Маслоохладители
  • Системы дистанционного управления
  • Шумопоглощающие кожухи
  • Глушители выхлопных газов

Выбросы выхлопных газов

Загрязнение атмосферы газообразными загрязнителями является важной экологической проблемой. Газовая турбина по основному циклу обеспечивает более чистое сгорание и производит более низкий уровень загрязняющих веществ по сравнению с другими первичными двигателями, что является большим преимуществом.Загрязнители газовых турбин, которые обычно регулируются:

  • Оксиды азота
  • Окись углерода
  • Несгоревшие углеводороды
  • Твердые частицы
  • Двуокись серы

Решение некоторых, но не всех, проблем загрязнения лежит в камере сгорания газовой турбины. Далее следует краткое обсуждение.

Оксиды азота (NO

x )

Регулируются только два из семи оксидов азота: NO и NO2, которые вместе обозначаются как NO x .Почти все проблемы с выбросами, связанные с первичными двигателями, связаны с производством NO x и контролем NO x . Газовая турбина относительно чистая по сравнению с другими первичными двигателями. Например, газовые турбины, работающие на природном газе, обычно производят в 4–12 раз меньше NOx на единицу мощности, чем поршневые двигатели. Однако NOx является основным фактором, определяющим разрешение на установку газовых турбин.

Оксид углерода (CO)

CO также находится на очень низком уровне в выхлопных газах турбин из-за избытка воздуха в процессе сгорания.Поэтому обычно это не проблема. Однако в некоторых районах, где уровень содержания CO в окружающей среде чрезвычайно высок или когда в газовой турбине используется впрыск воды для регулирования NO x , CO может быть фактором при получении разрешений.

Несгоревшие углеводороды (UHC)

В отличие от поршневых двигателей, которые производят значительное количество UHC, газовые турбины производят небольшое количество UHC, потому что большое количество избыточного воздуха, вовлеченного в процесс сгорания газовой турбины, полностью сжигает почти все углеводороды.Следовательно, выбросы ВОУ редко являются существенным фактором при получении экологических разрешений на газовые турбины.

Твердые частицы

Не существует усовершенствованных методов измерения содержания твердых частиц, которые бы давали значимые результаты для выхлопных газов газовых турбин. Это редко является фактором при получении разрешений на газовые турбины, когда в газовой турбине сжигается чистое топливо.

Диоксид серы (SO

2 )

Почти все оборудование для сжигания топлива, включая газовые турбины, преобразует всю серу, содержащуюся в топливе, в SO 2 .Это делает SO 2 проблемой топлива, а не проблемой, связанной с характеристиками турбины. Единственным эффективным способом контроля содержания SO 2 является ограничение количества серы, содержащейся в топливе, или удаление SO 2 из выхлопных газов с помощью процесса мокрой очистки.

Контроль выбросов

Необходимость соответствовать или превосходить стандарты выбросов, установленные федеральными, государственными и местными нормами, потребовала от производителей промышленных газовых турбин разработать турбины с более чистым сгоранием.Системы сухих выбросов были разработаны с форсунками с обедненной смесью, специальной технологией сгорания и средствами контроля для снижения выбросов NOx и CO за счет снижения максимальной температуры пламени и более полного окисления углеводородного топлива. Все производители промышленных газовых турбин имеют сухие продукты с низким уровнем выбросов. Производительность варьируется в зависимости от конкретного продукта из-за различий в конструкции камеры сгорания.

Эти системы сжигания обедненной смеси снижают образование NOx и CO до очень низкого уровня, что делает ненужным использование дорогостоящих каталитических нейтрализаторов, требующих сложного обслуживания, для удаления NOx и CO после их образования.В районах с экстремально высоким уровнем загрязнения для некоторых газовых турбин может потребоваться использование селективных каталитических нейтрализаторов для дальнейшего снижения уровня NOx и CO. Предпочтительным топливом для газовой турбины является чистый сухой природный газ, который производит самые чистые выхлопные газы.

Тепло отработавших газов

Газовые турбины имеют большую часть потерь тепла от цикла, выходящего из выхлопных газов. Это тепло может быть восстановлено и использовано для повышения общей тепловой эффективности сжигаемого топлива. Наиболее распространенный способ использования тепла выхлопных газов – производство пара.

Ссылки

Используйте этот раздел для цитирования элементов, на которые есть ссылки в тексте, чтобы показать ваши источники. [Источники должны быть доступны читателю, т. е. не являются внутренним документом компании.]

Примечательные статьи в OnePetro

Используйте этот раздел, чтобы перечислить статьи в OnePetro, которые обязательно должен прочитать читатель, желающий узнать больше.

Внешние ссылки

Используйте этот раздел для размещения ссылок на соответствующие материалы на веб-сайтах, отличных от PetroWiki и OnePetro.

См. также

Первичные двигатели

Поршневые двигатели

PEH:Prime_Movers

Инновационная архитектура газотурбинного двигателя

Технический идентификатор: 21-035

Изобретатели: Dr.Джон Фэган, доктор Джошуа Кэмерон, доктор Скотт Моррис

Дата добавления: 27 марта 2021 г.

Обзор

Новая архитектура газотурбинного двигателя для значительного снижения расхода топлива, веса и стоимости.

Обзор технологий

Газовые турбины широко используются в двигательных установках, включая летные, наземные и морские транспортные средства, а также для наземного производства электроэнергии. Обычные газотурбинные двигатели потребляют воздух из атмосферы, который сжимается, нагревается за счет сжигания топлива и расширяется для производства энергии.Ключевые соображения при выборе двигателя включают эффективность системы/скорость сжигания топлива, вес, стоимость, надежность и выбросы. Из-за широкого использования газотурбинных двигателей рынок постоянно инвестирует в новые технологии для улучшения этих важнейших характеристик.

Исследователи из Университета Нотр-Дам недавно разработали инновационную архитектуру цикла газотурбинного двигателя, особенно подходящую для мобильных приложений. Эта архитектура двигателя интегрирует замкнутый цикл управления мощностью и температурным режимом инновационным способом, который радикально меняет конфигурацию двигателя и эффективность системы.Существенным преимуществом этой архитектуры является устранение сложной характеристики вала обычных газотурбинных двигателей, что позволяет использовать новую компоновку. Архитектура также обеспечивает более высокую термодинамическую эффективность цикла и повышенную удельную мощность. Эта инновация представляет собой прорывное изменение, которое обеспечивает значительные преимущества и поддерживает продолжающуюся эволюцию отраслей мобильности и производства электроэнергии.

Преимущества на рынке

•    Экономия затрат: на 30 % меньше затрат производителя
•    Эффективность расхода топлива: на 10 % больше расхода топлива
•    Уменьшение веса: на 40 % легче

Возможности рынка

•    Индустрия авиационных двигателей — рынок на 80 млрд долларов, 11.3 % среднегодового темпа роста 90 792 •    Отрасль промышленных и морских газовых турбин — рынок стоимостью 11 млрд долларов США, среднегодовой темп роста 5,4 % 90 005

Состояние готовности технологии

TRL 2 – Формулировка технологической концепции

Контактный телефон

Ричард Кокс

[email protected]

574.631.5158

Что вызывает снижение производительности газотурбинного двигателя?

28.12.2020 | Лопасти турбины

Газотурбинный двигатель представляет собой одновременно простую концепцию и невероятно сложное устройство.Снижение производительности может быть вызвано многочисленными факторами, влияющими на окружающую среду, топливо и компоненты самой системы. Их больше, чем мы здесь перечисляем, но следующие четыре представляют собой некоторые из наиболее значительных причин снижения производительности газотурбинного двигателя.

Загрязнение

Загрязнение возникает в результате определенных загрязнений, которые накапливаются на аэродинамическом профиле (лопасти) и поверхностях кольцевого пространства. По мере увеличения налипания это серьезно повлияет на пропускную способность газотурбинного двигателя.Загрязнение может снизить производительность из-за изменения формы аэродинамического профиля, изменения угла входа, создания нежелательной шероховатости поверхности лопасти или даже уменьшения раскрытия горловины аэродинамического профиля. Повышенная шероховатость приводит к потерям на трение и соответствующему снижению эффективности. Регулярная очистка лопастей или промывка системы во время работы (с правильно подобранным растворителем) эффективно устраняет загрязнение лопастей.

Однако наиболее распространенным типом загрязнения газотурбинного двигателя является компрессор.Фактически было показано, что от 70 до 85% всех потерь производительности работающих газотурбинных двигателей можно отнести к загрязнению компрессора. Это делает загрязнение единственной серьезной причиной снижения производительности. Крайне важно избегать попадания загрязняющих веществ в компрессор с топливом, водой, паром, воздухом на входе или охлаждающим воздухом.

Эрозия

Эрозия связана с ударами объектов на пути потока твердыми частицами, которые попадают через впуск или газовый поток. Частицы нагара даже могут отрываться от форсунок, а осколки льда отрываться от впускного отверстия и вызывать постепенное эрозионное повреждение.Удары твердых частиц могут привести к абразивному удалению материала и попаданию других повреждающих частиц на путь (мельчайшие кусочки самого материала двигателя). Как и в случае загрязнения, эрозия может постепенно повредить или сделать шероховатыми компоненты на пути потока, изменяя трение и геометрию и вызывая снижение производительности.

Фильтрация воздуха обычно защищает промышленные газотурбинные двигатели от частиц, которые могут вызвать эрозию, но двигатели, используемые в авиации, подвергаются особо высокому риску.Насосы или компрессоры, перекачивающие жидкость, которая может содержать твердые материалы, также могут подвергаться эрозии.

Коррозия

Коррозия является результатом химических реакций между внутренними компонентами и различными загрязняющими веществами — солями, кислотами или реактивными газами — попавшими в систему. Горячая коррозия приводит как к потере материала из компонентов на пути потока, так и к прилипанию этих материалов к компонентам аэродинамического оборудования дальше по пути. Еще одним риском коррозии является высокотемпературное окисление или химическая реакция, возникающая в результате взаимодействия атомов металла (в компонентах) и кислорода при экстремальных температурах окружающей их горячей газовой среды.Любое механическое повреждение или эрозия компонентов может повлиять на эффективность антиокислительных покрытий или обработки.

Нагрев

Важно измерять температуры в точках по всему двигателю и поддерживать надежную термодинамическую историю не только при заводских испытаниях, но и в полевых условиях. Как описано выше, высокотемпературное окисление (один из многих рисков перегрева газотурбинного двигателя) приводит к ухудшению характеристик из-за повреждения внутренних компонентов. Однако это не единственный тепловой риск.

На профиль температуры на выходе из камеры сгорания также может повлиять износ, что приведет к изменению локальных пиков температуры, которые могут повредить газотурбинный двигатель. Измененные профили температуры имеют последствия (например, увеличение вторичного потока), которые снижают эффективность и производительность турбины.

Слияние частиц — еще одна причина снижения производительности. В старых двигателях сухие частицы могли проходить, не сплавляясь с горячими поверхностями, не повреждая двигатель. Однако газотурбинные двигатели нового поколения работают горячее.У них могут возникнуть проблемы, когда тепло двигателя превышает температуру плавления частиц, которые будут плавиться и прилипать к нагретому металлу компонентов. Расплавленные массы вызывают снижение производительности из-за синхронизации каналов охлаждения, изменения формы аэродинамического профиля/создания шероховатости, нарушения теплопередачи и вызывая термическую усталость.

Существуют и другие тепловые осложнения, связанные с температурами на входе, температурами на выходе и т. д. Однако достаточно сказать, что неожиданные скачки температуры — даже в небольшой локализованной области двигателя — могут резко снизить эффективность и вызвать необратимое ухудшение характеристик (или даже катастрофические отказы) газотурбинных двигателей.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

*