Турбина устройство: Устройство и неисправности турбокомпрессоров | Новости автомира

Содержание

Устройство турбины | ТурбоМикрон Москва


Несмотря на широкий модельный ряд турбокомпрессоров, они имеют незначительные конструктивные отличия, и все они работают по одному принципу и выполняют одинаковые функции.

Под термином «турбина» часто подразумевают турбокомпрессор. Это не совсем соответствует истине, так как турбина является всего лишь одной из составных частей турбокомпрессора.

Турбокомпрессор состоит из корпуса, вала с крыльчатками, одного либо двух опорных и одного упорного подшипников скольжения, системы уплотнений, двух улиток («горячей и холодной»), в которых вращаются крыльчатки. Опорные подшипники плавающего типа, т.е. имеют зазор со стороны корпуса и вала (тот самый радиальный люфт , который хорошо ощутим при нажатии на кончик вала турбины). Подшипники смазываются моторным маслом системы смазки двигателя. Масло подается по каналам в корпусе подшипников. Для герметизации масла на валу установлены уплотнительные кольца. В некоторых конструкциях бензиновых двигателей для улучшения охлаждения дополнительно к смазке применяется жидкостное охлаждение турбонагнетателей.

Где корпус подшипников турбонагнеталя включен в двухконтурную систему охлаждениядвигателя.

На всю эту конструкцию навешен пневмопривод, приводящий в действие байпасный (перепускной) клапан. Назначение байпасного клапана – регулировать обороты турбины и, соответственно, производительность компрессора. Сама турбина – это крыльчатка, неразъемно-насаженная на вал и приводящая во вращение другую крыльчатку – компрессор. Турбина изготовлена из жаростойкого сплава, компрессор – алюминиевый, вал – обычная среднелегированная сталь и в редких случаях сплавы/керамика. Отремонтировать эти детали невозможно, их можно только заменить.

Корпус турбокомпрессора представляет собой сплошную отливку из чугуна, в которой на подшипниках вращается вал.

Улитка турбины – чугунная деталь сложной формы. Именно она формирует газовый поток, вращающий турбину. Улитка компрессора представляет собой алюминиевую отливку с механически обработанным местом под компрессор. Вращающийся компрессор засасывает воздух через центральное отверстие, сжимает его и по кольцевому каналу подаёт в двигатель.

В воздушном тракте высокого давления (после компрессора) может устанавливаться предохранительный клапан. Он защищает системы от скачка давления воздуха, который может произойти при резком закрытии дроссельной заслонки. Избыточное давление может стравливаться в атмосферу с помощью блоу-офф клапана (blow-off) или перепускаться на вход компрессора с помощью бай-пас клапана (by-pass).

Если Вы столкнулись с необходимостью ремонта турбины, наши специалисты смогут решить Вашу проблему.

Устройство газовой турбины и компрессора газотурбинной установки



Устройство газовой турбины и компрессора газотурбинной установки

Рис. Простейшая турбина

Газовая турбина представляет собой тепловой двигатель, в котором потенциальная энергия газа преобразуется в механическую энергию.

Продольный разрез простейшей газовой турбины показан на рисунке. На вал насажен диск 2, в котором укреплены рабочие лопатки 4.

Вал с диском и лопатками в сборе называют ротором. Ротор турбины расположен внутри корпуса 5 и опирается на подшипники скольжения 6. Газ поступает к ротору турбины через сопла, образованные сопловыми лопатками 3. Сопла предназначены для преобразования потенциальной энергии газа в кинетическую. Внутри сопла давление газа уменьшается, а его скорость увеличивается. Перегородки, разделяющие сопла, называют сопловыми лопатками, а все сопловые лопатки, расположенные на одной окружности, — сопловой решеткой.

После сопловой решетки газ поступает к рабочим лопаткам. Промежутки между рабочими лопатками называют рабочими каналами, а все рабочие лопатки на диске — рабочей решеткой. Сопловую решетку и расположенную за ней по ходу газа рабочую решетку называют степенью. Рабочие лопатки изготовлены так, что каналы между ними имеют определенную форму. За счет изменения количества движения газа в рабочих каналах часть его энергии преобразуется в механическую, заставляя вращаться ротор. Ротор соединяется с потребителем механической энергии, которым на электрических станциях является электрический генератор, а на газоперекачивающих — нагнетатель газа.

Поступает газ в турбину через входной патрубок 9, а уходит из нее отработавший газ через выхлопной патрубок 8. Корпус турбины состоит из входного и выхлопного патрубков и той части, где расположены сопловые и рабочие лопатки. Таким образом корпус отделяет газ повышенного давления от окружающей среды. Однако в местах выхода ротора из корпуса имеются зазоры, и чтобы предотвратить утечку газа, в корпусе устанавливают уплотнения 7. Корпус турбины внутри или снаружи обязательно покрывают теплоизоляцией.

Компрессор служит для сжатия газа (воздуха) и повышения его энергии и температуры. При малых степенях сжатия в ГТУ в основном используют осевые компрессоры.

Простейший одноступенчатый компрессор состоит из тех же элементов, что и простейшая турбина. Так же как и турбина, компрессор имеет ротор состоящий из вала 1, диска 2 и рабочих лопаток 4. На внутренней поверхности корпуса компрессора располагаются направляющие лопатки 3. Решетку направляющих лопаток и следующую за ней рабочую решетку называют ступенью компрессора.

Воздух засасывается в компрессор через входной патрубок 9. Каналы между направляющими и рабочими лопатками имеют такую форму, что скорость воздуха в них уменьшается, а давление растет. Чтобы производилась работа сжатия воздуха, от турбины отбирается значительная часть мощности, необходимой для вращения ротора компрессора.

Выхлопной патрубок 8 (диффузор) служит для вывода воздуха из компрессора. Давление воздуха за диффузором значительно выше, чем во входном патрубке, и является наибольшим давлением в ГТУ.

Корпус компрессора состоит из входного патрубка, цилиндрической части, в которой расположены направляющие лопатки, и диффузора. Так же как в турбине, в местах выхода ротора из корпуса компрессора располагаются уплотнения 7. Турбины и компрессоры, имеющие одну ступень, называют одноступенчатыми. Турбины и компрессоры большой мощности с одной ступенью сконструировать обычно не удается. В этом случае на роторе приходится располагать несколько ступеней одну за другой.

Такие турбины и компрессоры называют многоступенчатыми.



Устройство паровой турбины

Паровая турбина состоит из следующих основных частей и механизмов:

Вращающейся частью турбины является ротор; по аналогии с электрическими машинами неподвижную часть ее называют иногда статором.

Рассмотрим отдельно устройство и назначение каждой из перечисленных выше частей и механизмов турбины.

фундаментная плита является опорой для корпуса турбины и статора генератора и создает между ними связь при которой правильное взаимное положение их не должно нарушаться.

Ввиду отсутствия в турбогенераторе возвратно-поступательно движущихся частей и связанной с ними неравномерности работы фундаментная плита может быть сравнительно легкой конструкции и обычно выполняется в виде сварной стальной или пустотелой чугунной рамы.

фундаментная плита турбогенератора небольшой мощности представляет собой цельную отливку; при средних и больших мощностях плита выполняется составной из двух и более (до пяти) частей.

Для облегчения веса агрегата иногда устанавливают общую плиту только под генератор и выпускной конец турбины; передний подшипник ее в этом случае покоиться на особой плите, связанной тягами с основной.

Внутреннее пространство пустотелой плиты иногда используется как резервуар для масла.

На (рис.1) изображена турбинная часть составной плиты; места установки лап корпуса обозначены цифрами 1, стойки переднего подшипника — 2; соединение со второй половиной плиты производится по фланцу 3-3

.

При монтаже турбины фундаментная плита устанавливается на стальные клинья, положенные на заранее приготовленный фундамент (рис.2). Перемещением клиньев добиваются горизонтальности положения плиты, для проверки чего к обработанным плоскостям последней прикладывают точный уровень (ватерпас). Составная из нескольких частей плита должна быть собрана и крепко стянута болтами еще до установки на клинья. После того как положение плиты точно выверено, фундаментные болты слегка затягивают и устанавливают на плиту стойки подшипников, корпус и ротор турбины.

После окончательной выверки плиты, нагруженной этими деталями, ее положение фиксируют подливкой цементного раствора, вытекание которого предупреждается деревянным ограждением(опалубкой).

Перед заливкой нужно заменить клинья толстыми плоскими стальными подкладками, так как клинья имеют тенденцию разъезжаться при вибрации машины.

После затвердения щемента (обычно 5-6 дней) фундаментные болты могут быть затянуты окончательно.

Вместо клиньев для первоначальной выверки турбины иногда пользуются домкратами (джек-болтами).

Корпус турбины

Корпуса турбин почти всех конструкций выполняют разъемным в вертикальной плоскости. Сторона низкого давления крепится к фундаментной плите так, что определенная точка корпуса оказывается неподвижной (мертвой) при тепловых деформациях корпуса; сторона высокого давления обычно подвешена к переднему подшипнику и при удлинении корпуса от нагревания имеет возможность смещаться в осевом направлении по направляющим. Мертвую точку иногда называют фикс-пунктом.

Крепление корпуса к фундаментной плите должно быть выполнено так, чтобы расширение при нагревании происходило свободно, но при этом не нарушалось совпадение геометрических осей турбины и генератора.

Один из методов такого крепления приведен на (рис.3). Корпус опирается на фундаментную плиту стойкой 1 переднего подшипника и боковыми лапами 2, отлитыми вместе с выхлопным патрубком. При удлинении корпуса стойка переднего подшипника может скользить в осевом направлении по плите, причем продольная шпонка 3 удерживает его от смещения вбок. Со стороны низкого давления такую же функцию выполняет выступ 4, входящий в соответствующую выемку (паз)в поперечине плиты. Поперечные шпонки 5, заложенные между лапами и плитой, не допускают смещения лап вдоль оси турбины, но позволяют корпусу свободно расширяться в стороны. Таким образом, неподвижной (мертвой) точкой в корпусе турбины является точка пересечения оси проведенной через шпонки 5, с вертикальной плоскостью симметрии, проходящей через шпонки 3 и 4.


Передней стороной или стороной высокого давления турбины — называют сторону впуска пара


Для того чтобы лапа 2 (рис.4) корпуса могла скользить по плите 4 вдоль шпонок, под головкой болта 3, крепящего лапу, оставляют небольшой зазор; отверстие для болта в лапе делают больше диаметра болта на величину максимального перемещения лапы. Возможность свободного перемещения лапы можно в любой момент проверить по шайбе 1, которая должна свободно вращаться под головкой болта.

 

Скользящие опорные поверхности и шпонки во избежание заеданий должны быть перед сборкой тщательно очищены и натерты графитом или смазаны ртутной мазью.

 

Изображенный на (рис 3) корпус имеет разъем в горизонтальной плоскости и разъем 7 в вертикальной плоскости. Фланцы корпуса в плоскостях разъема стягиваются болтами или шпильками. Затягивание гаек у болтов и шпилек небольшого размера производится ключом, удлиненным трубой до 2 метров длины. У турбин высокого давления затяжка болтов должна быть очень сильной во избежание просачивания пара. Поэтому болты, стягивающие фланцы таких турбин выполняют из хромоникелемолибденовой стали, хорошо переносящей действие высоких температур, располагают их очень близко друг к другу (рис. 6) и при затягивании применяют прогрев болтов.

В настоящее время для прогрева применяют три способа:
1) Автогенной горелкой с длинным не режущим пламенем, которое вводится в отверстие, просверленное в болте (рис .5) .
Гайка болта должна быть предварительно затянута до отказа в холодном состоянии. После прогрева болт удлиняется и гайка может быть повернута еще на 1/10-1/6 оборота в зивисимости от длины болта.
2) Электрическим нагревательным аппаратом (индукционным или с угольным электродом), вставленным в отверстие болта.
3) Паром или горячим воздухом, струя которого направляется в сверление болта.

Между температурами корпуса турбины и болтов или шпилек, стягивающих его фланцы, всегда имеется разность, вызывающая дополнительные напряжения в материале болта или шпильки, особенно большие при пуске турбины. Температура шпилек, имеющих хороший контакт с корпусом по резьбе, всегда ближе к температуре корпуса, чем температуре болтов. С целью снижения разности температур корпуса и стяжных болтов заводы с успехом применяют засыпку алюминиевой пудры в зазоры между болтами. Этим путем удавалось снизить разность температур со 100 до 200 С.

Перед сборкой турбины фланцы горизонтального разъема корпуса тщательно очищают, подшабривают и покрывают мастикой, состоящей из графита на вареном льняном масле; иногда в состав мастики вводят сурик, белила и другие составляющие.

 

Корпус у турбины стараются придать по возможности простую форму. Размеры корпуса определяются размерами проточной части турбины. Часто корпус в начале имеет большой диаметр, соответствующий диаметру регулирующей ступени, затем, ограничивая камеру регулирующей ступени, он резко уменьшается и далее плавно увеличивается в соответствии с ростом диаметра ступеней турбины по мере расширения пара. Иногда диаметр корпуса, следуя за диаметрами проточной части, изменяется несколькими резко выраженными ступенями.

 

Во внутреннюю часть корпуса реактивной турбины, в пазы, выполненные обычно прямо в корпусе, устанавливают кольцевые ряды направляющих лопаток, образующие сопла.

В активных турбинах в корпус закладываются диафрагмы, разделяющие его на отдельные камеры, и направляющие аппараты в тех камерах, где есть ступени скорости.
Не редко диафрагмы устанавливаются не в корпус, а в групповые кольцеобразные обоймы, которые затем вставляются в корпус.

Такая конструкция разгружает корпус от напряжений, возникающих при неравномерном расширении диафрагм от нагревания, и упрощает производство при выпуске машин разных мощностей, позволяя пользоваться корпусами одного размера.

 

Материалом для отливки корпусов паровых турбин служат чугун и сталь. Применение чугуна ограничено областью невысоких температур вследствие склонности чугуна «расти», то есть увеличиваться в объеме при высоких и переменных температурах. «Рост» чугуна неоднократно приводил к авариям вследствие нарушения установленных зазоров между деталями турбины.

С переходами на работу паром очень высокого давления и температуры турбостроение столкнулось с явлением «ползучести» (крипа) стали.

 

Под одновременным действием высокой температуры и постоянных растягивающих напряжений стальная отливка или паковка с течением времени получает все большую остаточную (пластическую) деформацию – ползет. Пластическая деформация при явлении ползучести возникает при напряжениях, значительно меньших придела текучести.


Для обычных углеродистых сталей ползучесть наблюдается начиная с температуры 380-400о С и выше.

Так как скорость ползучести для данного материала определяется температурой и напряжениями, то задачей конструктора является назначение таких размеров детали, при которых напряжения в ней будут таковы, что деталь может проработать заданный срок службы не выходя за установленные пределы деформации.

Задаваясь сроком службы детали, например 100 000 ч. И максимальной допустимой деформацией, например 0,5% длины детали, конструктор находит по результатам испытания металла на ползучесть то напряжение, при котором скорость ползучести не превышает 5*10-8мм/мм*ч.

Сопротивляемость стали ползучести зависит от химического состава металла и от технологии его обработки. Из присадок, вводимых в сталь, наиболее эффективно повышает сопротивление ползучести молибден, содержание которого в количестве 0,4-0,6% дает возможность применять сталь для температур до 550о С при приемлемых значениях рабочих напряжений.

Другое явление, с которым приходится встречаться в турбинах высокого давления, это релаксация деталей то есть самопроизвольное падение первоначально созданных напряжений в деталях (например, при затяжке болтов), которое заметно проявляется при длительном воздействии высоких температур. Процесс релаксации протекает при неизменной общей деформации напряженной детали. В результате деформации снижается натяг болтов, стягивающих фланцы корпусов турбин или фланцевые соединения паропроводов, и болты приходится периодически подтягивать.

В турбине, рассчитанной на высокие параметры пара, в наиболее тяжелых условиях находится корпус высокого давления.

Наибольшая трудность заключается в достижении длительной плотности стыка между половинами корпуса и в устройстве рациональной связи корпуса со стойками подшипников.

С возрастание параметров свежего пара быстро увеличивается толщина фланцев, необходимая для обеспечения плотности в разъеме корпуса высокого давления.

Для того чтобы обеспечить правильное взаимное положение подшипников и корпуса при удлинении последнего, точки опоры корпуса расположены на высоте его продольного разъема и насколько возможно близко к середине подшипников. Корпус с обоих концов опирается лапами на стойки подшипников и может скользить в вертикальных и горизонтальных направляющих стоек, что обеспечивает свободное расширение его в радиальных направлениях от центра вала без нарушения правильности совпадения осей турбины и генератора.

При проектировании турбин, рассчитанных на сверхвысокие параметры пара, толщина фланцев корпуса в.д. и диаметры стяжных болтов и шпилек могут получиться неприемлемо большими. В таких случаях хорошим конструктивным решением является применение корпусов с двойными стенками. В этом случае между внутренним корпусом, заключающем в себе проточную часть в. д., и наружным корпусом, обеспечивающим отсутствие утечек пара наружу, находится пар, отработавший в проточной части в. д. и имеющий значительно пониженный по сравнению со свежим паром давление.

Диафрагмы

Диафрагмы отливают из чугуна или отковывают из стали (для давлений выше 20 ата и температуре выше 250о С). Как правило, диафрагмы делают разъемными на две части; каждая половина устанавливается в соответствующую выточку корпуса турбины или в обойму.

Диафрагмы закрепляют в корпусе таким образом, чтобы они могли при нагревании свободно расширяться в радиальном направлении, не оказывая давления на стенки корпуса. Для этого их вставляют в выточки стенок корпуса с небольшими зазорами, обычно составляющими от 0,003 до 0,004 от диаметра диафрагмы в радиальном направлении и от 0,1 до 0,3 мм в осевом направлении.

Обода диафрагм перед установкой их в корпус необходимо смазать графитом.

Положение половинок диафрагмы фиксируется установкой шпонок 1 (рис. 9). Верхние половинки закрепляют так, чтобы можно было поднять верхнюю часть корпуса вместе с ними; это достигается установкой с каждой стороны шпонок 3, удерживающих диафрагмы от выпадения. Нижние половины диафрагм при удаленном роторе обычно свободно вынимаются из корпуса 2 кверху.

На (рис. 10) изображен вид снизу верхней части (крышки) корпуса небольшой турбины; цифрой 2 отмечены диафрагмы, 1 – секция направляющего аппарата, 3 – закрепляющие винты диафрагм, 4 – уплотнение диафрагм, 5 – шпоночные канавки для шпонок, соединяющие верхнюю и нижнюю половины диафрагм.

Впуск пара в первых ступенях часто бывает парциальным, соответственно этому диафрагмы имеют сопла только в части своей окружности.

В последних ступенях подвод пара всегда полный – по всей окружности, на (рис. 11) изображены диафрагмы с парциальным и полным впуском пара.

Во избежание утечек пара вдоль вала в тех местах, где он проходит сквозь диафрагмы, последние снабжают лабиринтовыми уплотнениями, принцип действия и устройство которых рассмотрен ниже.

Вследствие большой поверхности диафрагмы полное давление пара на нее достигает очень большой величины даже при небольшой разности давлений между соседними камерами: естественно, что конструкция диафрагмы, особенно в первых ступенях, где температура и разность давлений сравнительно высоки, должна быть очень солидной, тем более, что даже небольшой прогиб диафрагмы может повлечь за собой серьезную аварию турбины.

Расчет диафрагм на прочность может быть произведен только с приближенной точностью. Поэтому новые конструкции диафрагм обычно испытывают на прогиб гидравлическим прессом на турбинных заводах.

 

Сопла первой ступени, чаще всего изготавливаются в виде составных фрезерованных сегментов (рис. 13) или сегментов, состоящих из лопаток, приваренных между отрезками бандажа и обоймы.

Сопла в чугунных диафрагмах образуются посредством заливки в тело диафрагмы соответственно изогнутых стальных лопаток (рис. 11). Сопла получают при этом трапецеидальное сечение и могут быть устроены расширяющимися или суживающимися в зависимости от расчетной скорости истечения пара.

Неточная пригонка стыка лопаток в разъеме диафрагмы может вызвать вибрацию рабочих лопаток, так как в таком случае правильная форма соплового канала нарушается и каждая рабочая лопатка, проходя мим стыка, получает толчок. Ввиду большой трудности получения правильных стыков в диафрагмах с залитыми лопатками применяют диафрагмы с косыми стыками, так что разрезанные лопатки в разъемах отсутствуют.

В современных конструкциях турбин высокого давления чаще всего применяются сварные диафрагмы (рис. 16).

Направляющие лопатки 1, образующие сопла, закрепляются в двух полукольцевых бандажах – внутреннем 2 и наружном 3, в отверстия которых входят шипы лопаток, после чего привариваются к бандажам. Затем собранное полукольцо сопел приваривается к наружному ободу 4 и телу диафрагмы 5.

Сварные диафрагмы по своей жесткости превосходят диафрагмы с приклепанными лопатками, но уступают им в точности изготовления, что может вызвать небольшое увеличение расхода пара турбиной.

Сопловые венцы, набранные из фрезерованных лопаток, позволяют получить наиболее точные профили и гладкие поверхности сопловых каналов, что обеспечивает высокую экономичность турбины, но обходится дороже в изготовлении.

как горячий пар превращается в электричество / Хабр

Учёные до сих пор бьются над поиском самых эффективных способов по выработке тока — прогресс устремился от гальванических элементов к первым динамо-машинам, паровым, атомным, а теперь солнечным, ветряным и водородным электростанциям. В наше время самым массовым и удобным способом получения электричества остаётся генератор, приводимый в действие паровой турбиной.

Паровые турбины были изобретены задолго до того, как человек понял природу электричества. В этом посте мы упрощённо расскажем об устройстве и работе паровой турбины, а заодно вспомним, как древнегреческий учёный опередил своё время на пятнадцать веков, как произошёл переворот в деле турбиностроения и почему Toshiba считает, что тридцатиметровую турбину надо изготавливать с точностью до 0,005 мм.

Как устроена паровая турбина

Принцип работы паровой турбины относительно прост, а её внутреннее устройство принципиально не менялось уже больше века. Чтобы понять принцип работы турбины, рассмотрим, как работает теплоэлектростанция — место, где ископаемое топливо (газ, уголь, мазут) превращается в электричество.

Сама по себе паровая турбина не работает, для функционирования ей нужен пар. Поэтому электростанция начинается с котла, в котором горит топливо, отдавая жар трубам с дистиллированной водой, пронизывающим котел. В этих тонких трубах вода превращается в пар.


Понятная схема работы ТЭЦ, вырабатывающей и электричество, и тепло для отопления домов. Источник: Мосэнерго

Турбина представляет собой вал (ротор) с радиально расположенными лопатками, словно у большого вентилятора. За каждым таким диском установлен статор — похожий диск с лопатками другой формы, который закреплён не на валу, а на корпусе самой турбины и потому остающийся неподвижным (отсюда и название — статор).

Пару из одного вращающегося диска с лопатками и статора называют ступенью. В одной паровой турбине десятки ступеней — пропустив пар всего через одну ступень тяжёлый вал турбины с массой от 3 до 150 тонн не раскрутить, поэтому ступени последовательно группируются, чтобы извлечь максимум потенциальной энергии пара.

На вход в турбину подаётся пар с очень высокой температурой и под большим давлением. По давлению пара различают турбины низкого (до 1,2 МПа), среднего (до 5 МПа), высокого (до 15 МПа), сверхвысокого (15—22,5 МПа) и сверхкритического (свыше 22,5 МПа) давления. Для сравнения, давление внутри бутылки шампанского составляет порядка 0,63 МПа, в автомобильной шине легковушки — 0,2 МПа.

Чем выше давление, тем выше температура кипения воды, а значит, температура пара. На вход турбины подается пар, перегретый до 550-560 °C! Зачем так много? По мере прохождения сквозь турбину пар расширяется, чтобы сохранять скорость потока, и теряет температуру, поэтому нужно иметь запас. Почему бы не перегреть пар выше? До недавних пор это считалось чрезвычайно сложным и бессмысленным —нагрузка на турбину и котел становилась критической.

Паровые турбины для электростанций традиционно имеют несколько цилиндров с лопатками, в которые подается пар высокого, среднего и низкого давления. Сперва пар проходит через цилиндр высокого давления, раскручивает турбину, а заодно меняет свои параметры на выходе (снижается давление и температура), после чего уходит в цилиндр среднего давления, а оттуда — низкого. Дело в том, что ступени для пара с разными параметрами имеют разные размеры и форму лопаток, чтобы эффективней извлекать энергию пара.

Но есть проблема — при падении температуры до точки насыщения пар начинает насыщаться, а это уменьшает КПД турбины. Для предотвращения этого на электростанциях после цилиндра высокого и перед попаданием в цилиндр низкого давления пар вновь подогревают в котле. Этот процесс называется промежуточным перегревом (промперегрев).

Цилиндров среднего и низкого давления в одной турбине может быть несколько. Пар на них может подаваться как с края цилиндра, проходя все лопатки последовательно, так и по центру, расходясь к краям, что выравнивает нагрузку на вал.

Вращающийся вал турбины соединён с электрогенератором. Чтобы электричество в сети имело необходимую частоту, валы генератора и турбины должны вращаться со строго определённой скоростью — в России ток в сети имеет частоту 50 Гц, а турбины работают на 1500 или 3000 об/мин.

Упрощённо говоря, чем выше потребление электроэнергии, производимой электростанцией, тем сильнее генератор сопротивляется вращению, поэтому на турбину приходится подавать бо́льший поток пара. Регуляторы частоты вращения турбин мгновенно реагируют на изменения нагрузки и управляют потоком пара, чтобы турбина сохраняла постоянные обороты. Если в сети произойдет падение нагрузки, а регулятор не уменьшит объём подаваемого пара, турбина стремительно нарастит обороты и разрушится — в случае такой аварии лопатки легко пробивают корпус турбины, крышу ТЭС и разлетаются на расстояние в несколько километров.

Как появились паровые турбины

Примерно в XVIII веке до нашей эры человечество уже укротило энергию стихии, превратив её в механическую энергию для совершения полезной работы — то были вавилонские ветряные мельницы. К II веку до н. э. в Римской империи появились водяные мельницы, чьи колёса приводились в движение нескончаемым потоком воды рек и ручьёв. И уже в I веке н. э. человек укротил потенциальную энергию водяного пара, с его помощью приведя в движение рукотворную систему.


Эолипил Герона Александрийского — первая и единственная на следующие 15 веков реактивная паровая турбина. Источник: American Mechanical Dictionary / Wikimedia

Греческий математик и механик Герон Александрийский описал причудливый механизм эолипил, представляющий собой закреплённый на оси шар с исходящими из него под углом трубками. Подававшийся в шар из кипящего котла водяной пар с силой выходил из трубок, заставляя шар вращаться. Придуманная Героном машина в те времена казалась бесполезной игрушкой, но на самом деле античный учёный сконструировал первую паровую реактивную турбину, оценить потенциал которой удалось только через пятнадцать веков. Современная реплика эолипила развивает скорость до 1500 оборотов в минуту.

В XVI веке забытое изобретение Герона частично повторил сирийский астроном Такиюддин аш-Шами, только вместо шара в движение приводилось колесо, на которое пар дул прямо из котла. В 1629 году схожую идею предложил итальянский архитектор Джованни Бранка: струя пара вращала лопастное колесо, которое можно было приспособить для механизации лесопилки.


Активная паровая турбина Бранка совершала хоть какую-то полезную работу — «автоматизировала» две ступки.

Несмотря на описание несколькими изобретателями машин, преобразующих энергию пара в работу, до полезной реализации было еще далеко — технологии того времени не позволяли создать паровую турбину с практически применимой мощностью.

Турбинная революция

Шведский изобретатель Густаф Лаваль много лет вынашивал идею создания некоего двигателя, который смог бы вращать ось с огромной скоростью — это требовалось для функционирования сепаратора молока Лаваля. Пока сепаратор работал от «ручного привода»: система с зубчатой передачей превращала 40 оборотов в минуту на рукоятке в 7000 оборотов в сепараторе. В 1883 году Лавалю удалось адаптировать эолипил Герона, снабдив-таки молочный сепаратор двигателем. Идея была хорошая, но вибрации, жуткая дороговизна и неэкономичность паровой турбины заставили изобретателя вернуться к расчетам.



Турбинное колесо Лаваля появилось в 1889 году, но его конструкция дошла до наших дней почти в неизменном виде.

Спустя годы мучительных испытаний Лаваль смог создать активную паровую турбину с одним диском. На диск с лопатками из четырех труб с соплами под давлением подавался пар. Расширяясь и ускоряясь в соплах, пар ударял в лопатки диска и тем самым приводил диск в движение. Впоследствии изобретатель выпустил первые коммерчески доступные турбины с мощностью 3,6 кВт, соединял турбины с динамо-машинами для выработки электричества, а также запатентовал множество новшеств в конструкции турбин, включая такую их неотъемлемую в наше время часть, как конденсатор пара. Несмотря на тяжёлый старт, позже дела у Густафа Лаваля пошли хорошо: оставив свою прошлую компанию по производству сепараторов, он основал акционерное общество и приступил к наращиванию мощности агрегатов.

Параллельно с Лавалем свои исследования в области паровых турбин вёл англичанин cэр Чарлз Парсонс, который смог переосмыслить и удачно дополнить идеи Лаваля. Если первый использовал в своей турбине один диск с лопатками, то Парсонс запатентовал многоступенчатую турбину с несколькими последовательно расположенными дисками, а чуть позже добавил в конструкцию статоры для выравнивания потока.

Турбина Парсонса имела три последовательных цилиндра для пара высокого, среднего и низкого давления с разной геометрией лопаток. Если Лаваль опирался на активные турбины, то Парсонс создал реактивные группы.

В 1889 году Парсонс продал несколько сотен своих турбин для электрификации городов, а еще пять лет спустя было построено опытное судно «Турбиния», развивавшее недостижимую для паровых машин прежде скорость 63 км/ч. К началу XX века паровые турбины стали одним из главных двигателей стремительной электрификации планеты.


Сейчас «Турбиния» выставляется в музее в Ньюкасле. Обратите внимание на количество винтов. Источник: TWAMWIR / Wikimedia

Турбины Toshiba — путь длиной в век

Стремительное развитие

электрифицированных железных дорог

и текстильной промышленности в Японии заставило государство ответить на возросшее электропотребление строительством новых электростанций. Вместе с тем начались работы по проектированию и производству японских паровых турбин, первые из которых были поставлены на нужды страны уже в 1920-х годах. К делу подключилась и Toshiba (в те годы: Tokyo Denki и Shibaura Seisaku-sho).

Первая турбина Toshiba была выпущена в 1927 году, она имела скромную мощность в 23 кВт. Уже через два года все производимые в Японии паровые турбины выходили из фабрик Toshiba, были запущены агрегаты с общей мощностью 7500 кВт. Кстати, и для первой японской геотермальной станции, открытой в 1966 году, паровые турбины также поставляла Toshiba. К 1997 году все турбины Toshiba имели суммарную мощность 100000 МВт, а к 2017 поставки настолько возросли, что эквивалентная мощность составила 200000 МВт.

Такой спрос обусловлен точностью изготовления. Ротор с массой до 150 тонн вращается со скоростью 3600 оборотов в минуту, любой дисбаланс приведёт к вибрациям и аварии. Ротор балансируется с точностью до 1 грамма, а геометрические отклонения не должны превышать 0,01 мм от целевых значений. Оборудование с ЧПУ помогает снизить отклонения при производстве турбины до 0,005 мм — именно такая разница с целевыми параметрами среди сотрудников Toshiba считается хорошим тоном, хотя допустимая безопасная погрешность на порядок больше. Также каждая турбина обязательно проходит стресс-тест при повышенных оборотах — для агрегатов на 3600 оборотов тест предусматривает разгон до 4320 оборотов.


Удачное фото для понимания размеров ступеней низкого давления паровой турбины. Перед вами коллектив лучших мастеров завода Toshiba Keihin Product Operations. Источник: Toshiba

Эффективность паровых турбин

Паровые турбины хороши тем, что при увеличении их размеров значительно растёт вырабатываемая мощность и КПД. Экономически гораздо выгодней установить один или несколько агрегатов на крупную ТЭС, от которой по магистральным сетям распределять электричество на большие расстояния, чем строить местные ТЭС с малыми турбинами, мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт. Дело в том, что при уменьшении габаритов и мощности в разы растёт стоимость турбины в пересчёте на киловатт, а КПД падает вдвое-втрое.

Электрический КПД конденсационных турбин с промперегревом колеблется на уровне 35-40%. КПД современных ТЭС может достигать 45%.

Если сравнить эти показатели с результатами из таблицы, окажется, что паровая турбина — это один из лучших способов для покрытия больших потребностей в электричестве. Дизели — это «домашняя» история, ветряки — затратная и маломощная, ГЭС — очень затратная и привязанная к местности, а водородные топливные элементы, про которые мы уже писали — новый и, скорее, мобильный способ выработки электроэнергии.

Интересные факты


Самая мощная

паровая турбина: такой титул могут по праву носить сразу два изделия — немецкая Siemens SST5-9000 и турбина производства ARABELLE, принадлежащей американской General Electric. Обе конденсационных турбины выдают до 1900 МВт мощности. Реализовать такой потенциал можно только на АЭС.


Рекордная турбина Siemens SST5-9000 с мощностью 1900 МВт. Рекорд, но спрос на такие мощности очень мал, поэтому Toshiba специализируется на агрегатах с вдвое меньшей мощностью. Источник: Siemens

Самая маленькая паровая турбина была создана в России всего пару лет назад инженерами Уральского федерального университета — ПТМ-30 всего полметра в диаметре, она имеет мощность 30 кВт. Малютку можно использовать для локальной выработки электроэнергии при помощи утилизации избыточного пара, остающегося от других процессов, чтобы извлекать из него экономическую выгоду, а не спускать в атмосферу.


Российская ПТМ-30 — самая маленькая в мире паровая турбина для выработки электричества. Источник: УрФУ

Самым неудачным применением паровой турбины стоит считать паротурбовозы — паровозы, в которых пар из котла поступает в турбину, а затем локомотив движется на электродвигателях или за счет механической передачи. Теоретически паровая турбина обеспечивала в разы больший КПД, чем обычный паровоз. На деле оказалось, что свои преимущества, как то высокая скорость и надежность, паротурбовоз проявляет только на скоростях выше 60 км/ч. При меньшей скорости движения турбина потребляет чересчур много пара и топлива. США и европейские страны экспериментировали с паровыми турбинами на локомотивах, но ужасная надежность и сомнительная эффективность сократили жизнь паротурбовозов как класса до 10-20 лет.


Угольный паротурбовоз C&O 500 ломался почти каждую поездку, из-за чего уже спустя год после выпуска был отправлен на металлолом. Источник: Wikimedia

Турбина — Энергетическое образование

Рисунок 1. Турбины могут быть довольно большими, паровая турбина выше представлена ​​в масштабе человека. [1]

Турбина — это устройство, которое использует кинетическую энергию некоторой жидкости, такой как вода, пар, воздух или дымовые газы, и превращает ее во вращательное движение самого устройства. [2] Турбины обычно используются в производстве электроэнергии, двигателях и двигательных установках. Турбины — это машины (в частности, турбомашины), потому что турбины передают и изменяют энергию.Простая турбина состоит из ряда лопастей — в настоящее время сталь является одним из наиболее распространенных материалов — и позволяет жидкости поступать в турбину, толкая лопасти. Эти лопасти вращаются, пока жидкость проходит через них, захватывая часть энергии в виде вращательного движения. Жидкость, протекающая через турбину, теряет кинетическую энергию и выходит из турбины с меньшей энергией, чем в начале. [2]

Турбины используются во многих различных областях, и каждый тип турбины имеет немного отличающуюся конструкцию для правильного выполнения своей работы.Турбины используются в ветроэнергетике, гидроэнергетике, в тепловых двигателях и для движения. Турбины чрезвычайно важны из-за того факта, что почти вся электроэнергия производится путем преобразования механической энергии турбины в электрическую энергию с помощью генератора. [2]

Тепловые двигатели

основной артикул

Тепловые двигатели используют турбины (а также поршни), поскольку они могут эффективно извлекать энергию из жидкостей.Кроме того, турбины требуют довольно небольшого обслуживания.

Газовые турбины часто используются в тепловых двигателях, поскольку они являются одним из наиболее гибких типов турбин. Одним из конкретных применений этих газовых турбин являются реактивные двигатели. [2] В этих газовых турбинах сжатый воздух нагревается и смешивается с некоторым количеством топлива. Когда эта смесь воспламеняется, она подвергается быстрому расширению. Расширяющийся воздух нагнетается в турбину, заставляя ее вращаться. Поскольку они используют сжатый воздух, большие высоты не влияют на эффективность турбин, что делает их идеальными для использования в самолетах. [3] . Схема газовой турбины показана на рисунке 2 ниже.

Рис. 2. Схема газотурбинного двигателя. [4]

Эти турбины используются не только в самолетах, но и для выработки электроэнергии на электростанциях, работающих на природном газе. Дымовые газы в этом случае возникают в результате сжигания природного газа. [3]

Производство электроэнергии

Гидроэнергетика

основной артикул и | 3D модель
Рисунок 3. Схема гидроэлектростанции. [5]

На гидроэлектростанции вода удерживается за плотиной и сбрасывается через водовод. Вода, обладающая кинетической и потенциальной энергией, попадает на турбину, которая вращает вал, соединенный с генератором, вырабатывая таким образом электричество. Эти турбины необходимы в области гидроэнергетики — процесса получения энергии из воды.

Конструкция гидротурбин одинакова для разных типов гидроэлектростанций (для получения дополнительной информации см. Русловые гидроэлектростанции и водохранилища).Ряд лопастей прикреплен к некоторому вращающемуся валу или пластине. Затем вода проходит через турбину по лопастям, заставляя внутренний вал вращаться. Затем это вращательное движение передается на генератор, где вырабатывается электричество. Существует множество различных типов турбин, которые лучше всего использовать в различных ситуациях. Каждый тип турбины создается для обеспечения максимальной мощности в той ситуации, в которой он используется (примеры различных типов гидроэнергетических турбин включают турбины Фрэнсиса, турбины Каплана и турбины Пельтона). Есть много факторов, которые необходимо изучить, чтобы определить, какую турбину следует использовать. Эти факторы включают гидравлический напор, гидроэлектрический расход и стоимость. [6]

На этих сооружениях обычно используются два типа турбин, выбор которых зависит от характеристик гидроэлектростанции. Это реактивные турбины и импульсные турбины. Для получения дополнительной информации о том, как работают эти турбины, и более подробной информации о других турбинах, нажмите здесь.

Рисунок 4. Схема ветряной турбины. [7]

Ветер

основной артикул и | 3D-модель

Ветряные турбины работают путем преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию, которая используется для выработки электроэнергии путем вращения генератора. Эти турбины могут быть наземными или морскими ветряными турбинами. Эти турбины состоят из трех основных компонентов. Первыми из них являются лопасти несущего винта, которые имеют форму крыльев самолета, чтобы ловить воздух, заставляя лопасти вращаться. Второй компонент — гондола, набор шестерен и генератор, преобразующий вращение лопасти в электрическую энергию. Наконец, башня представляет собой большую подставку, на которой установлены лопасти и гондола. [8]

Для дальнейшего чтения

Каталожные номера

  1. ↑ Викисклад. (2 сентября 2015 г.). Турбина Philippsburg [Онлайн]. Доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c2/Turbine_Philippsburg-1.jpg
  2. 2.0 2.1 2.2 2.3 Словарь энергии, под редакцией Катлера Дж. Кливленда и Кристофера Г. Морриса, Elsevier, 2014. ProQuest Ebook Central, https://ebookcentral-proquest-com.ezproxy.lib. ucalgary.ca/lib/ucalgary-ebooks/detail.action?docID=1821967.
  3. 3.0 3.1 Energy.gov. (2 сентября 2015 г.). Как работают газовые турбины [Онлайн]. Доступно: http://energy.gov/fe/how-gas-turbine-power-plants-work
  4. ↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: https://upload. wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Jet_engine.svg
  5. ↑ Викисклад. (2 сентября 2015 г.). Водяная турбина [Онлайн]. Доступно: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Water_turbine.svg.
  6. ↑ BrightHub Engineering. (2 сентября 2015 г.). Что такое гидравлические турбины? [Онлайн]. Доступно: http://www.brighthubengineering.com/fluid-mechanics-hydraulics/26551-hydraulic-turbines-definition-and-basics/
  7. ↑ Викисклад. Схема ветрогенератора [Онлайн].Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wind_turbine_diagram.svg
  8. ↑ Энергетический центр Висконсина. (2 сентября 2015 г.). Части турбины [Онлайн]. Доступно: http://www.ecw.org/windpower/web/cat2a.html

Авторы и редакторы

Бетел Эфворк, Итан Бохлер, Джордан Ханания, Брейден Хеффернан, Джеймс Дженден, Джафер Хани, Кайлин Стенхаус, Луиза Варгас Суарес, Дайна Вибе, Джейсон Донев
Последнее обновление: 20 декабря 2021 г. — Энергетическое образование Рисунок 1. Турбины могут быть довольно большими, паровая турбина наверху в масштабе человека. [1]

Турбина — это устройство, которое использует кинетическую энергию некоторой жидкости, такой как вода, пар, воздух или дымовые газы, и превращает ее во вращательное движение самого устройства. [2] Турбины обычно используются в производстве электроэнергии, двигателях и двигательных установках. Турбины — это машины (в частности, турбомашины), потому что турбины передают и изменяют энергию.Простая турбина состоит из ряда лопастей — в настоящее время сталь является одним из наиболее распространенных материалов — и позволяет жидкости поступать в турбину, толкая лопасти. Эти лопасти вращаются, пока жидкость проходит через них, захватывая часть энергии в виде вращательного движения. Жидкость, протекающая через турбину, теряет кинетическую энергию и выходит из турбины с меньшей энергией, чем в начале. [2]

Турбины используются во многих различных областях, и каждый тип турбины имеет немного отличающуюся конструкцию для правильного выполнения своей работы. Турбины используются в ветроэнергетике, гидроэнергетике, в тепловых двигателях и для движения. Турбины чрезвычайно важны из-за того факта, что почти вся электроэнергия производится путем преобразования механической энергии турбины в электрическую энергию с помощью генератора. [2]

Тепловые двигатели

основной артикул

Тепловые двигатели используют турбины (а также поршни), поскольку они могут эффективно извлекать энергию из жидкостей.Кроме того, турбины требуют довольно небольшого обслуживания.

Газовые турбины часто используются в тепловых двигателях, поскольку они являются одним из наиболее гибких типов турбин. Одним из конкретных применений этих газовых турбин являются реактивные двигатели. [2] В этих газовых турбинах сжатый воздух нагревается и смешивается с некоторым количеством топлива. Когда эта смесь воспламеняется, она подвергается быстрому расширению. Расширяющийся воздух нагнетается в турбину, заставляя ее вращаться. Поскольку они используют сжатый воздух, большие высоты не влияют на эффективность турбин, что делает их идеальными для использования в самолетах. [3] . Схема газовой турбины показана на рисунке 2 ниже.

Рис. 2. Схема газотурбинного двигателя. [4]

Эти турбины используются не только в самолетах, но и для выработки электроэнергии на электростанциях, работающих на природном газе. Дымовые газы в этом случае возникают в результате сжигания природного газа. [3]

Производство электроэнергии

Гидроэнергетика

основной артикул и | 3D модель
Рисунок 3.Схема гидроэлектростанции. [5]

На гидроэлектростанции вода удерживается за плотиной и сбрасывается через водовод. Вода, обладающая кинетической и потенциальной энергией, попадает на турбину, которая вращает вал, соединенный с генератором, вырабатывая таким образом электричество. Эти турбины необходимы в области гидроэнергетики — процесса получения энергии из воды.

Конструкция гидротурбин одинакова для разных типов гидроэлектростанций (для получения дополнительной информации см. Русловые гидроэлектростанции и водохранилища).Ряд лопастей прикреплен к некоторому вращающемуся валу или пластине. Затем вода проходит через турбину по лопастям, заставляя внутренний вал вращаться. Затем это вращательное движение передается на генератор, где вырабатывается электричество. Существует множество различных типов турбин, которые лучше всего использовать в различных ситуациях. Каждый тип турбины создается для обеспечения максимальной мощности в той ситуации, в которой он используется (примеры различных типов гидроэнергетических турбин включают турбины Фрэнсиса, турбины Каплана и турбины Пельтона).Есть много факторов, которые необходимо изучить, чтобы определить, какую турбину следует использовать. Эти факторы включают гидравлический напор, гидроэлектрический расход и стоимость. [6]

На этих сооружениях обычно используются два типа турбин, выбор которых зависит от характеристик гидроэлектростанции. Это реактивные турбины и импульсные турбины. Для получения дополнительной информации о том, как работают эти турбины, и более подробной информации о других турбинах, нажмите здесь.

Рисунок 4. Схема ветряной турбины. [7]

Ветер

основной артикул и | 3D-модель

Ветряные турбины работают путем преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию, которая используется для выработки электроэнергии путем вращения генератора. Эти турбины могут быть наземными или морскими ветряными турбинами. Эти турбины состоят из трех основных компонентов. Первыми из них являются лопасти несущего винта, которые имеют форму крыльев самолета, чтобы ловить воздух, заставляя лопасти вращаться.Второй компонент — гондола, набор шестерен и генератор, преобразующий вращение лопасти в электрическую энергию. Наконец, башня представляет собой большую подставку, на которой установлены лопасти и гондола. [8]

Для дальнейшего чтения

Каталожные номера

  1. ↑ Викисклад. (2 сентября 2015 г.). Турбина Philippsburg [Онлайн]. Доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c2/Turbine_Philippsburg-1.jpg
  2. 2.0 2.1 2.2 2.3 Словарь энергии, под редакцией Катлера Дж. Кливленда и Кристофера Г. Морриса, Elsevier, 2014. ProQuest Ebook Central, https://ebookcentral-proquest-com.ezproxy.lib. ucalgary.ca/lib/ucalgary-ebooks/detail.action?docID=1821967.
  3. 3.0 3.1 Energy.gov. (2 сентября 2015 г.). Как работают газовые турбины [Онлайн]. Доступно: http://energy.gov/fe/how-gas-turbine-power-plants-work
  4. ↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Jet_engine.svg
  5. ↑ Викисклад. (2 сентября 2015 г.). Водяная турбина [Онлайн]. Доступно: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Water_turbine.svg.
  6. ↑ BrightHub Engineering. (2 сентября 2015 г.). Что такое гидравлические турбины? [Онлайн]. Доступно: http://www.brighthubengineering.com/fluid-mechanics-hydraulics/26551-hydraulic-turbines-definition-and-basics/
  7. ↑ Викисклад. Схема ветрогенератора [Онлайн].Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wind_turbine_diagram.svg
  8. ↑ Энергетический центр Висконсина. (2 сентября 2015 г.). Части турбины [Онлайн]. Доступно: http://www.ecw.org/windpower/web/cat2a.html

Авторы и редакторы

Бетел Эфворк, Итан Бохлер, Джордан Ханания, Брейден Хеффернан, Джеймс Дженден, Джафер Хани, Кайлин Стенхаус, Луиза Варгас Суарес, Дайна Вибе, Джейсон Донев
Последнее обновление: 20 декабря 2021 г. — Энергетическое образование Рисунок 1.Турбины могут быть довольно большими, паровая турбина наверху в масштабе человека. [1]

Турбина — это устройство, которое использует кинетическую энергию некоторой жидкости, такой как вода, пар, воздух или дымовые газы, и превращает ее во вращательное движение самого устройства. [2] Турбины обычно используются в производстве электроэнергии, двигателях и двигательных установках. Турбины — это машины (в частности, турбомашины), потому что турбины передают и изменяют энергию.Простая турбина состоит из ряда лопастей — в настоящее время сталь является одним из наиболее распространенных материалов — и позволяет жидкости поступать в турбину, толкая лопасти. Эти лопасти вращаются, пока жидкость проходит через них, захватывая часть энергии в виде вращательного движения. Жидкость, протекающая через турбину, теряет кинетическую энергию и выходит из турбины с меньшей энергией, чем в начале. [2]

Турбины используются во многих различных областях, и каждый тип турбины имеет немного отличающуюся конструкцию для правильного выполнения своей работы.Турбины используются в ветроэнергетике, гидроэнергетике, в тепловых двигателях и для движения. Турбины чрезвычайно важны из-за того факта, что почти вся электроэнергия производится путем преобразования механической энергии турбины в электрическую энергию с помощью генератора. [2]

Тепловые двигатели

основной артикул

Тепловые двигатели используют турбины (а также поршни), поскольку они могут эффективно извлекать энергию из жидкостей.Кроме того, турбины требуют довольно небольшого обслуживания.

Газовые турбины часто используются в тепловых двигателях, поскольку они являются одним из наиболее гибких типов турбин. Одним из конкретных применений этих газовых турбин являются реактивные двигатели. [2] В этих газовых турбинах сжатый воздух нагревается и смешивается с некоторым количеством топлива. Когда эта смесь воспламеняется, она подвергается быстрому расширению. Расширяющийся воздух нагнетается в турбину, заставляя ее вращаться. Поскольку они используют сжатый воздух, большие высоты не влияют на эффективность турбин, что делает их идеальными для использования в самолетах. [3] . Схема газовой турбины показана на рисунке 2 ниже.

Рис. 2. Схема газотурбинного двигателя. [4]

Эти турбины используются не только в самолетах, но и для выработки электроэнергии на электростанциях, работающих на природном газе. Дымовые газы в этом случае возникают в результате сжигания природного газа. [3]

Производство электроэнергии

Гидроэнергетика

основной артикул и | 3D модель
Рисунок 3.Схема гидроэлектростанции. [5]

На гидроэлектростанции вода удерживается за плотиной и сбрасывается через водовод. Вода, обладающая кинетической и потенциальной энергией, попадает на турбину, которая вращает вал, соединенный с генератором, вырабатывая таким образом электричество. Эти турбины необходимы в области гидроэнергетики — процесса получения энергии из воды.

Конструкция гидротурбин одинакова для разных типов гидроэлектростанций (для получения дополнительной информации см. Русловые гидроэлектростанции и водохранилища). Ряд лопастей прикреплен к некоторому вращающемуся валу или пластине. Затем вода проходит через турбину по лопастям, заставляя внутренний вал вращаться. Затем это вращательное движение передается на генератор, где вырабатывается электричество. Существует множество различных типов турбин, которые лучше всего использовать в различных ситуациях. Каждый тип турбины создается для обеспечения максимальной мощности в той ситуации, в которой он используется (примеры различных типов гидроэнергетических турбин включают турбины Фрэнсиса, турбины Каплана и турбины Пельтона).Есть много факторов, которые необходимо изучить, чтобы определить, какую турбину следует использовать. Эти факторы включают гидравлический напор, гидроэлектрический расход и стоимость. [6]

На этих сооружениях обычно используются два типа турбин, выбор которых зависит от характеристик гидроэлектростанции. Это реактивные турбины и импульсные турбины. Для получения дополнительной информации о том, как работают эти турбины, и более подробной информации о других турбинах, нажмите здесь.

Рисунок 4. Схема ветряной турбины. [7]

Ветер

основной артикул и | 3D-модель

Ветряные турбины работают путем преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию, которая используется для выработки электроэнергии путем вращения генератора. Эти турбины могут быть наземными или морскими ветряными турбинами. Эти турбины состоят из трех основных компонентов. Первыми из них являются лопасти несущего винта, которые имеют форму крыльев самолета, чтобы ловить воздух, заставляя лопасти вращаться.Второй компонент — гондола, набор шестерен и генератор, преобразующий вращение лопасти в электрическую энергию. Наконец, башня представляет собой большую подставку, на которой установлены лопасти и гондола. [8]

Для дальнейшего чтения

Каталожные номера

  1. ↑ Викисклад. (2 сентября 2015 г.). Турбина Philippsburg [Онлайн]. Доступно: https://upload. wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c2/Turbine_Philippsburg-1.jpg
  2. 2.0 2.1 2.2 2.3 Словарь энергии, под редакцией Катлера Дж. Кливленда и Кристофера Г. Морриса, Elsevier, 2014. ProQuest Ebook Central, https://ebookcentral-proquest-com.ezproxy.lib. ucalgary.ca/lib/ucalgary-ebooks/detail.action?docID=1821967.
  3. 3.0 3.1 Energy.gov. (2 сентября 2015 г.). Как работают газовые турбины [Онлайн]. Доступно: http://energy.gov/fe/how-gas-turbine-power-plants-work
  4. ↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Jet_engine.svg
  5. ↑ Викисклад. (2 сентября 2015 г.). Водяная турбина [Онлайн]. Доступно: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Water_turbine.svg.
  6. ↑ BrightHub Engineering. (2 сентября 2015 г.). Что такое гидравлические турбины? [Онлайн]. Доступно: http://www.brighthubengineering.com/fluid-mechanics-hydraulics/26551-hydraulic-turbines-definition-and-basics/
  7. ↑ Викисклад. Схема ветрогенератора [Онлайн].Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wind_turbine_diagram.svg
  8. ↑ Энергетический центр Висконсина. (2 сентября 2015 г.). Части турбины [Онлайн]. Доступно: http://www.ecw.org/windpower/web/cat2a.html

Авторы и редакторы

Бетел Эфворк, Итан Бохлер, Джордан Ханания, Брейден Хеффернан, Джеймс Дженден, Джафер Хани, Кайлин Стенхаус, Луиза Варгас Суарес, Дайна Вибе, Джейсон Донев
Последнее обновление: 20 декабря 2021 г. — Энергетическое образование Рисунок 1.Турбины могут быть довольно большими, паровая турбина наверху в масштабе человека. [1]

Турбина — это устройство, которое использует кинетическую энергию некоторой жидкости, такой как вода, пар, воздух или дымовые газы, и превращает ее во вращательное движение самого устройства. [2] Турбины обычно используются в производстве электроэнергии, двигателях и двигательных установках. Турбины — это машины (в частности, турбомашины), потому что турбины передают и изменяют энергию. Простая турбина состоит из ряда лопастей — в настоящее время сталь является одним из наиболее распространенных материалов — и позволяет жидкости поступать в турбину, толкая лопасти. Эти лопасти вращаются, пока жидкость проходит через них, захватывая часть энергии в виде вращательного движения. Жидкость, протекающая через турбину, теряет кинетическую энергию и выходит из турбины с меньшей энергией, чем в начале. [2]

Турбины используются во многих различных областях, и каждый тип турбины имеет немного отличающуюся конструкцию для правильного выполнения своей работы.Турбины используются в ветроэнергетике, гидроэнергетике, в тепловых двигателях и для движения. Турбины чрезвычайно важны из-за того факта, что почти вся электроэнергия производится путем преобразования механической энергии турбины в электрическую энергию с помощью генератора. [2]

Тепловые двигатели

основной артикул

Тепловые двигатели используют турбины (а также поршни), поскольку они могут эффективно извлекать энергию из жидкостей. Кроме того, турбины требуют довольно небольшого обслуживания.

Газовые турбины часто используются в тепловых двигателях, поскольку они являются одним из наиболее гибких типов турбин. Одним из конкретных применений этих газовых турбин являются реактивные двигатели. [2] В этих газовых турбинах сжатый воздух нагревается и смешивается с некоторым количеством топлива. Когда эта смесь воспламеняется, она подвергается быстрому расширению. Расширяющийся воздух нагнетается в турбину, заставляя ее вращаться. Поскольку они используют сжатый воздух, большие высоты не влияют на эффективность турбин, что делает их идеальными для использования в самолетах. [3] . Схема газовой турбины показана на рисунке 2 ниже.

Рис. 2. Схема газотурбинного двигателя. [4]

Эти турбины используются не только в самолетах, но и для выработки электроэнергии на электростанциях, работающих на природном газе. Дымовые газы в этом случае возникают в результате сжигания природного газа. [3]

Производство электроэнергии

Гидроэнергетика

основной артикул и | 3D модель
Рисунок 3.Схема гидроэлектростанции. [5]

На гидроэлектростанции вода удерживается за плотиной и сбрасывается через водовод. Вода, обладающая кинетической и потенциальной энергией, попадает на турбину, которая вращает вал, соединенный с генератором, вырабатывая таким образом электричество. Эти турбины необходимы в области гидроэнергетики — процесса получения энергии из воды.

Конструкция гидротурбин одинакова для разных типов гидроэлектростанций (для получения дополнительной информации см. Русловые гидроэлектростанции и водохранилища).Ряд лопастей прикреплен к некоторому вращающемуся валу или пластине. Затем вода проходит через турбину по лопастям, заставляя внутренний вал вращаться. Затем это вращательное движение передается на генератор, где вырабатывается электричество. Существует множество различных типов турбин, которые лучше всего использовать в различных ситуациях. Каждый тип турбины создается для обеспечения максимальной мощности в той ситуации, в которой он используется (примеры различных типов гидроэнергетических турбин включают турбины Фрэнсиса, турбины Каплана и турбины Пельтона).Есть много факторов, которые необходимо изучить, чтобы определить, какую турбину следует использовать. Эти факторы включают гидравлический напор, гидроэлектрический расход и стоимость. [6]

На этих сооружениях обычно используются два типа турбин, выбор которых зависит от характеристик гидроэлектростанции. Это реактивные турбины и импульсные турбины. Для получения дополнительной информации о том, как работают эти турбины, и более подробной информации о других турбинах, нажмите здесь.

Рисунок 4. Схема ветряной турбины. [7]

Ветер

основной артикул и | 3D-модель

Ветряные турбины работают путем преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию, которая используется для выработки электроэнергии путем вращения генератора. Эти турбины могут быть наземными или морскими ветряными турбинами. Эти турбины состоят из трех основных компонентов. Первыми из них являются лопасти несущего винта, которые имеют форму крыльев самолета, чтобы ловить воздух, заставляя лопасти вращаться.Второй компонент — гондола, набор шестерен и генератор, преобразующий вращение лопасти в электрическую энергию. Наконец, башня представляет собой большую подставку, на которой установлены лопасти и гондола. [8]

Для дальнейшего чтения

Каталожные номера

  1. ↑ Викисклад. (2 сентября 2015 г.). Турбина Philippsburg [Онлайн]. Доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c2/Turbine_Philippsburg-1.jpg
  2. 2.0 2.1 2.2 2.3 Словарь энергии, под редакцией Катлера Дж. Кливленда и Кристофера Г. Морриса, Elsevier, 2014. ProQuest Ebook Central, https://ebookcentral-proquest-com.ezproxy.lib. ucalgary.ca/lib/ucalgary-ebooks/detail. action?docID=1821967.
  3. 3.0 3.1 Energy.gov. (2 сентября 2015 г.). Как работают газовые турбины [Онлайн]. Доступно: http://energy.gov/fe/how-gas-turbine-power-plants-work
  4. ↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Jet_engine.svg
  5. ↑ Викисклад. (2 сентября 2015 г.). Водяная турбина [Онлайн]. Доступно: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Water_turbine.svg.
  6. ↑ BrightHub Engineering. (2 сентября 2015 г.). Что такое гидравлические турбины? [Онлайн]. Доступно: http://www.brighthubengineering.com/fluid-mechanics-hydraulics/26551-hydraulic-turbines-definition-and-basics/
  7. ↑ Викисклад. Схема ветрогенератора [Онлайн].Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wind_turbine_diagram.svg
  8. ↑ Энергетический центр Висконсина. (2 сентября 2015 г.). Части турбины [Онлайн]. Доступно: http://www.ecw.org/windpower/web/cat2a. html

Авторы и редакторы. — обзор | ScienceDirect Topics

Использование нетрадиционных двигателей внутреннего сгорания

Помимо поршневых двигателей внутреннего сгорания, существуют и другие тепловые машины, способные преобразовывать химическую энергию топлива в крутящий момент, и мощность используется для приведения в движение дорожных транспортных средств.В этом случае МТС либо остается без изменений, либо претерпевает небольшие корректировки, позволяющие использовать эти машины. Далее следует краткое описание их работы, а также преимуществ и недостатков их использования.

Двигатель Ванкеля: это роторный ДВС с искровым зажиганием, в котором используется треугольный ротор с выпуклыми сторонами и эллиптическая камера сгорания. Эксцентричное движение ротора внутри камеры сгорания вызывает изменение объема между стенками ротора и камеры, создавая функции сжатия и расширения, подобно действию поршня в ДВС.Для обеспечения заданной мощности двигатели Ванкеля меньше, легче и производят меньше вибрации и шума, чем ДВС. Кроме того, они имеют менее сложную конфигурацию, что приводит к меньшей частоте обслуживания. Ограничения его использования связаны с более высоким расходом топлива и смазочного масла, более высокими выбросами несгоревших углеводородов из-за сложности оптимизации формы камеры сгорания. Двигатели Ванкеля имеют высокие производственные затраты и не могут быть адаптированы к использованию дизельного топлива, поскольку их конфигурация и работа ограничивают степень сжатия.

Двигатели с циклом Ренкина: двигатели внешнего и непрерывного сгорания, способные потреблять различные виды топлива и использовать тепло, образующееся в результате сжигания топлива, для производства пара. Пар можно использовать для перемещения поршня внутри цилиндра (возвратно-поступательное движение) или для вращения ротора турбины (вращательное движение). Из-за своей механической концепции это большие, тяжелые и дорогие двигатели. Их большое преимущество заключается в низком уровне выбросов загрязняющих веществ в атмосферу по сравнению с ДВС без систем контроля выбросов. Не было обнаружено информации о том, что технология производства этих двигателей значительно изменилась с 1970-х годов. В то время можно было выпускать двигатели, использовавшие цикл Ренкина с расходом топлива, аналогичным бензиновым ДВС. Его применение для автомобильного транспорта, по-видимому, ограничивается когенерацией энергии в большегрузных транспортных средствах, где можно использовать тепло, затрачиваемое выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания.

Двигатели Стирлинга: это двигатели внешнего и непрерывного сгорания, способные потреблять различные виды топлива для производства тепла и нагрева рабочей жидкости, которая расширяется внутри цилиндров, создавая возвратно-поступательное движение.Из-за высокого рабочего давления они представляют собой большие, тяжелые и дорогие двигатели, способные генерировать умеренную мощность, учитывая их размер и вес. Их главное преимущество заключается в том, что они производят значительно меньшие выбросы несгоревших углеводородов, моноксида углерода (CO) и оксидов азота (NO x ), чем современные ДВС, которые уже имеют контроль выбросов. Кроме того, они являются тихими двигателями и могут потреблять меньше топлива, чем ДВС, для выработки такой же мощности благодаря лучшему тепловому КПД.Это преимущество может быть скомпрометировано из-за необходимости длительных периодов нагрева. Их использование в качестве единственного блока преобразования энергии (ECU) в дорожных автомобилях не кажется жизнеспособным в среднесрочной перспективе, но гибридные системы с небольшими двигателями Стирлинга, связанными с электрическими двигателями, являются возможным вариантом.

Газовые турбины: это роторные двигатели внутреннего и непрерывного сгорания, которые могут сжигать самые разные виды топлива. В турбинах смесь A/F сгорает в камере сгорания, а выхлопные газы расширяются и проходят через ротор, вызывая вращение оси.При сжигании топлива в камере сгорания используется бедная смесь, 3 производящая низкий уровень загрязнителей атмосферы, даже практически без регулирующего устройства. Кроме того, они имеют плавную работу с низким уровнем вибрации и шума. Их механическая конструкция допускает длительные интервалы между процедурами технического обслуживания. Их недостатками являются высокая стоимость изготовления, неудовлетворительная реакция на переходных режимах, большой расход топлива, особенно при малых нагрузках, малое применение на малых мощностях.

В таблице 4.5 представлены характеристики нетрадиционных двигателей, их основные преимущества и недостатки.

Таблица 4.5. Нетрадиционные двигатели сгорания

Engine STIRLING Rankine Engine Engine Engine Engine
Процесс Внутреннее сгорание Внешнее сгорание внутреннее сгорание
Топливо Топливо Подходящее топливо для льда SIE без ограничения без ограничения без ограничения без ограничения
зажигание зависит от внешнего устройства-зажигания. Зависит от внешнего устройства — свеча зажигания или горелка Зависит от внешнего устройства — свеча зажигания или горелка Зависит от внешнего устройства — свеча зажигания или горелка
Отношение A/F Стехиометрическое или плохое Бедный Бедный Бедный
Жидкость, который производит работу газов сгорания паром паром 80611
Cyclic непрерывное непрерывное Конфигурация Поворотный Поршневой Поступательный или поворотный Поворотный
Преимущества (1) Меньший размер, вес и механическая сложность.Более плавная работа с меньшим уровнем шума и вибрации. Меньшая частота обслуживания. Меньше выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, тише. Более высокая термодинамическая эффективность при постоянной работе. Меньшие выбросы загрязняющих веществ в атмосферу по сравнению с ДВС того же поколения — ориентир: 1970-е гг. Снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, работа с низким уровнем вибрации и шума. Меньшая частота обслуживания.
Недостатки (1) Более высокий расход топлива и цена.Более высокие выбросы несгоревших углеводородов. Большой, тяжелый и дорогой. Имеют высокое соотношение веса и мощности. Большой, тяжелый и дорогой. Устаревшая технология. Высокие производственные затраты, неадекватная реакция в переходных режимах работы и при малых нагрузках.

Примечание: (1) По сравнению с ДВС, используемым для аналогичной цели.

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

Введение

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

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

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

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

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

Экспериментальная установка и описание данных

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

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

Выпускной клапан (BV) двигателя позволяет отводить сжатый воздух высокой температуры (~232°C при абсолютном давлении 338 кПа) в кабину самолета и обеспечивать пневматическую мощность для запуска основных двигателей. Это позволяет тестировать двигатель в различных режимах работы, так как массовый расход воздуха в топливе, который поступает в CC, может быть изменен с помощью положения BV. При открытии БВ произойдет снижение частоты вращения турбины, если не будет подпитки топлива для компенсации потерянной работы.Потери энергии возникают из-за уменьшения работы, совершаемой w c 2 рабочей жидкости двигателя при прохождении ею второй ступени сжатия. Количество упущенных работ пропорциональна извлеченной массе воздушного воздуха м кровотечение и может быть выражена как W C 3 2 = м 3 кровотечение C P DT , с c p представляет теплоемкость рабочего тела и dT перепад температур на второй ступени сжатия.Так как частота вращения вала должна оставаться постоянной на уровне 4356 ± 10,5 рад/с, то регулятор расхода топлива добивается этого за счет регулирования давления в топливопроводе, впрыскивая разномассовый расход топлива в КС.

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

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

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

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, выделение признаков и разработка обучающей модели нормального поведения двигателя (Тарасенко и др., 2009).

Предварительная обработка необработанных данных вибрации

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

первым, D -Dimence Matrix x = { x 3 1 , …, x 3 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 Z = { Z 1 , …, Z L } Содержащие данные с обоих классов (25% состояний двигателя 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, а не промежуточные, можно получить удовлетворительное частотно-временное разрешение. Это называется двоичной сеткой вейвлет-коэффициентов, а функция, представленная в уравнении 4, становится набором ортогональных вейвлет-функций:

ψj,k(t)=2j∕2ψ2jt−k, (5)

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

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

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

Низкоразмерные элементы

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

Анализ главных компонент — это метод, который можно использовать для получения нового набора ортогональных осей, показывающих наибольшую дисперсию данных.Следовательно, C было спроецировано на 2 ортогональные оси от его исходного размера D . В PCA, собственные значения λ K k k u

9 K K S S
9 C C получены путем решения следующего собственного значения проблема:

где k = 1, …, D . Собственный вектор u 1 , соответствующий наибольшему собственному значению λ 1 , является первой главной компонентой и так далее.Двумерное представление C , 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 заменяются функцией ядра. В KPCA отображение ϕ двух точек данных, т.е.G., N и м -й вейлой коэффициент м -й вейвлет-коэффициент C N и C 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 сопоставленные 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, так как он представляет собой верхнюю границу доли обучающих данных, лежащих не на той стороне гиперплоскости [подробнее см. Schölkopf et al.(2001)]. В случае γ отсутствовали верхний и нижний пределы, поэтому был выбран относительно более широкий диапазон. В обоих случаях шаги были определены таким образом, чтобы вычислительные затраты были разумными. Как правило, решение о пространстве сетки следовало процедуре проб и ошибок для заданного набора данных о вибрации, чтобы определить подходящие границы и размер шага. Как видно из контурных графиков, поиск по сетке позволяет нам получить высокую точность проверки при выборе подходящей комбинации γ и ν.Для нашего набора данных эту комбинацию можно найти в основном при относительно низких значениях γ. По мере уменьшения значения γ попарные расстояния между точками обучающих данных становятся менее важными. Следовательно, граница решения ОКСВМ становится более ограниченной, а ее форма менее гибкой из-за того, что она будет придавать этим расстояниям меньший вес. Обратите внимание, что примеры на рисунке 5 были созданы с d = 100 для 𝒴 и D = 100 для Y (см. Низкоразмерные характеристики), с уровнем разложения 9002 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 присвоены их фиксированные значения по умолчанию. .Из этих двух графиков видно, что параметры OCSVM γ и ν можно «настроить» таким образом, чтобы точность проверки можно было максимизировать, независимо от выбора d и σ KPCA . Это наблюдение иллюстрирует силу методов на основе ядра в целом, поскольку ширина ядра может иметь большое влияние на описание обучающих данных. В большинстве случаев выбор этого параметра необходим только для получения подходящей адаптации наших алгоритмов (Shawe-Taylor and Cristianini, 2004).Как видно, выбирая каждый раз разные комбинации ν и γ (согласно процедуре поиска по сетке), максимально достижимая точность проверки всегда близка к 100%. Это значительное улучшение по сравнению с соответствующей точностью, которую можно получить, используя фиксированный набор значений. Более того, это демонстрирует, что «настроить» машину опорных векторов не так уж и сложно, поскольку нужно найти всего два параметра, и это можно сделать с помощью процедуры поиска по сетке. Напротив, искусственная нейронная сеть требует, чтобы ее архитектура, скорость обучения градиентного спуска и другие параметры были заданы заранее, что значительно усложняет задачу «настройки» алгоритма.Тем не менее, самым сильным моментом машины опорных векторов является ее способность получать глобальное оптимальное решение для любого выбранного значения γ и ν, которое мы указали, так что его способность к обобщению всегда максимальна.

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

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

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

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

Заключение

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

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

Вклад авторов

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

Заявление о конфликте интересов

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

Благодарности

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

Финансирование

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

Каталожные номера

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

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

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

Академия Google

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

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Чанг, К., и Лин, К. (2011). LIBSVM: библиотека для машин опорных векторов. ACM 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

[Часть 1] Серия вращающегося оборудования: турбины

В следующих публикациях серии «Оборудование» мы будем делиться информацией о различных типах оборудования, с которыми мы работаем в HDS, кроме насосов. Для ознакомления с различными типами насосов посетите наш блог.После насосов одним из самых распространенных типов оборудования, приносимого в ремонт в ГДС, являются турбины. Турбины представляют собой вращающиеся механические устройства, которые вращаются за счет использования потока жидкости или других источников для создания энергии. В них используется узел ротора с барабанами или лопастями, и они часто используются для выработки электроэнергии в сочетании с генератором. Среди широкой публики ветряные и водяные турбины, пожалуй, наиболее известны.

Типы турбин

Турбины работают либо импульсно, либо реактивно.

Импульсные турбины (колесо Пельтона и поперечное течение) В этих турбинах используется жидкость, движущаяся с высокой скоростью, поступающая через узкое сопло, чтобы заставить лопасти вращаться. Лопасти импульсной турбины изогнуты или имеют форму ковша, чтобы улавливать жидкость. Затем жидкость направляется либо под углом, либо обратно через сопло для повышения эффективности. Импульсные турбины имеют простую конструкцию, просты в сборке и не требуют больших затрат на техническое обслуживание, поскольку для их работы не обязательно требуется корпус или труба.

— Водяные турбины часто являются импульсными турбинами, хотя в редких случаях они могут быть реактивными турбинами.

Реактивные турбины (Каплана, Фрэнсиса и Кинетики) В этих турбинах используется больший объем жидкости для вращения лопастей, когда жидкость течет мимо них. В отличие от импульсных турбин реактивные турбины не изменяют направление потока жидкости. Они просто поворачиваются, когда жидкость проходит через лопасти. Короче говоря, движущаяся жидкость придает потоку турбины своего рода обратное направление, точно так же, как плавание заставляет воду течь в противоположном направлении.

— Ветряные турбины являются одним из наиболее распространенных примеров реактивных турбин.

Приложения для турбин

Турбину также можно классифицировать по типу элемента, который вызывает ее движение.

1. Паровые турбины. Они работают на горячем газообразном паре и работают как с газовыми, так и с гидроисточниками. Пар производится и проходит через ротор, чтобы заставить лопасти вращаться. Типичная паровая турбина, используемая на электростанции, может вращаться со скоростью 1800–3600 об/мин, что примерно в 100–200 раз быстрее, чем ветряная турбина
2.Газовые турбины. Эти турбины могут быть многоступенчатыми и приводятся в действие смесью воздуха и горячих газов, образующихся при сжигании топлива. Газовые турбины обычно используются в реактивных двигателях, железнодорожных локомотивах и промышленном оборудовании.
3. Гидротурбины. Они используют поток воды для создания движения и энергии. Они даже используются в плотинах для создания гидроэлектростанций.
4. Ветряные турбины. Вместо того, чтобы использовать жидкость для вращения лопастей, ветряные турбины используют ветер, как это видно на ветряных электростанциях.

Отрасли, в которых используются турбины, включают, но не ограничиваются:

• Гидроэнергетика
• Электростанции
• Водохранилища
• Аэрокосмическая отрасль
• Морская
• Оборона
• Транспорт
• Энергетика, нефть и газ

В Houston Dynamic Service мы обладаем обширными знаниями о том, как обслуживать, проверять и ремонтировать турбины.Чтобы узнать больше, свяжитесь с нами, чтобы обсудить, как мы можем обеспечить наилучшую работу ваших турбин.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.