Устройство диагностирования технического состояния элементов газовоздушного тракта дизеля

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСРУБЛИН 9 М 15/00 ЫТИЙ САНИЕ ЕТЕ ДЕТЕПЬСТВУ ВТОР СКОМУ/25-0647,Бюл. У 46ный научно-исследельный инстит т вая В сит о ики ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИ 0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ(56) Возницкий И.В. Контрольдиагностика технического сосния судовых дизелей. И.: УРКАМорфлот, 1 978, с.47.(54) УСТРОЙСТВО ДИАГНОСТИРОВАН ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТ ГАЗОВОЗДУШНОГО ТРАКТА ДИЗЕЛЯ (57) Изобретение. позволяет пов точность диагностирования и ра навания вида неисправностей и комбинаций при малом числе реж обучения, Устр-во содержит дат 2,3,4,5 т-р давлений, перепадов дав"лений и частот вращения, преобразователи 6, вычислительное устр-во, состоящее из блока 7 обработки первичной инфЬрмации, блока 8 коррекции,блока 9 определения структурных параметров, блока О сравнения, блока1 представления информации и блока13 перепрограммируемой автономнойпамяти. Ввод сигнала в последний осуществляется из блока 12 адаптации.Операции диагностирования состоянияэлементов газовоздушного тракта проводят путем измерения для каждого-го элемента параметров рабочеготела на входе и выходе. Измеренияпроизводят на любом установившемсярежиме при стационарности параметров рабочего тела в газовоздушномтракте. 1 ил. 1 табл,18 7 359699 Продолжение таблицы йарвиетры РЕ 9)ОИМ Р)4 бОЮ ДИГ 41 тЕЛ)1Т Т . 1 6 1 2 3 4 10,1362 0,106 0,1146 0)1084 0,1088 О, 1267 0,зз о,зз 0,1186 0 224 0 1246 0,14260,1360,12710,2920,12890,1294 19 Ац 20 А)1 0,08260,08330,081720,0815 0,1663 0,1644 0,1358 И 0,1627 О,37 0,347 И 21 Аа 1-0,03 0,08 0,01 0,03 0 134 ) 0 067М Ма Составитель Н.ПатрахальцевРедактор Л.Повхан Техред М.Ходанич Корректор М.Демчик Заказ 6149/46 Тираж 776 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д.4/5Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул. Проектная, 4 0,992 0,895 0 938 1,004 0,9884 0,9906 0,987 0,933 0,008 0,105 0,062 -0,004 0,0116 0,0094 0,97050,9530 86331 к А С;(А;)и К; - коэ ричем в исхо фициенты адаптаном состоянии е и 113596Изобретение относится к технической диагностике энергетического оборудования и может быть использованодля оценки технического состояниягазовоздушного тракта двигателявнутреннего сгорания.Целью изобретения является повышение .точности диагностирования ираспознавания вида неисправностей иих комбинаций при малом числе режимов обучения.На чертеже представлена функциональная схема устройства диагностирования элементов газовоздушного 15тракта (ГВТ).Устройство диагностирования элементов ГВТ 1 включает в себя датчики температур 2, давлений 3, перепадов давлений 4, частот вращения 5, 20установленные в газовоздушном тракте дизеля, вторичные преобразователи6, вычислительное устройство ( В),состоящее из блока 7 обработки первичной информации (ВОПИ)(вычислителя А), блока 8 коррекции (БК) (корректирующего значение Ах), блока 9определения структурных параметров(БПИ) и блока 13 перепрограммируемойавтономной памяти (БПАП). Ввод сигна- .лов в БПАП осуществляется из блока12 адаптации (БА),35Операции диагностирования состояния элементов газовоздушного тракта проводят путем измерения для каждого д-го элемента параметров рабочего тела на входе и выходе, например 40 давления, температуры и массового расхода, а также частоты вращения ротора турбокомпрессора, и вычисления текущих значений диагностических параметров. Измерения производят на 45 любом установившемся режиме пристационарности параметров рабочего тела в газовоздушном тракте, дополнительно измеряют частоту вращения двигателя. Измеренные значения пара метров подают в блок вычисления потока массы через каждый -й элемент А;, значения которых корректируются в блоке коррекции по формуле1-го объекта, а оценку техническогосостояния элементов производят поотклонению от единицы в блоке сравнения нормированной эквивалентной газодинамической системы, соответствующий -ом элементу газовоздушноготракта, определяемой в вычислительном блоке по формуле СаГ =(2)А,где С - Расход воздУха (длЯ водыподставляют СсоР ) э А - определяется при оценке1изменения гидравлического состояния элементов, кроме цилиндра дизеля, по формулег г 1А = К (Р Р) а., (3)(т + т,)" где Р Р ,Т , Тг - абсолютные давлефния и температуры на входе и выхо" де д-го эквивалентного участка, причем для компрессора Т, = Тг= Т, аТь к-)кр, -Т = Т (- )1с Р,где К -показатель изоэнтропы для воздуха; К, ь 1 эш, юи; - постоянные, причем для элементов воздушного тракта и;= = ш;, Й; - характерный размер -ого эквивалентного .участка, Й, = СопзС для пассивных элементов, .а для комп- рессора(4) Рьгде Т = Т ( -- ) каЭ 1. р,2 - постоянная для турбины: тя,(5 где К - показательПоток массы возду эквивалентную поверх теплообмена при оцен эффективности воздух определяют по формул о тропы га ывающего (стенку) мической ха, оностьке теоохла еля,е359699 4всей области его рабочих характеристик, При этом определяют искомыекоэффициенты однократно, решая системы модельных уравнений из условия5оАдекватность и универсальностьмоделейдля широкого поля режимовпри малом количестве экспериментовобеспечивается тем, что они строятся в функции не отдельных переменных, а параметров-комплексов (обобщенных переменных), полученных изуниверсальных зависимостей в крите риях и параметрах подобия:- для степенных моделей проточныхэлементов 1 п( ---)ТТ; ст ст Ец.= а; фе,)(8) Иц, = д;(К; ) (11) 25где Е , - число Эйлера на -м участ 01ке;К - число Рейнольдса на -меучастке;а ,Ь - константы, определяющие 30значения искомых коэффициентов в (3);Ь константы определяющиезначения искомых коэффициентов в (6); З 5 Ю; - критерий Нуссельта,и характеристик газообмена дизеля вобобщенных переменных:- для поршневой части как проточного элемента40 М, Й (, и, ) пдв(12)- для интегральной оценки технического состояния ГВТ (определе 45 ния "тяжести" возникших неисправнос" тей)(9) от;+. Раь Ьр , . Т,где М , М - число Маха по определенн ленным параметрам потока на впуске и выпуске поршневой части.Сигналы, соответствующие значениям давлений, температур рабочего тела на входе и выходе элементов ГВТ 1, поступают от датчиков 2 - 4; где Т, - температура эквивалентнойстенки, вычисляемая по формуле Тв Тсоое г Т л 1 ТсооЯТЕ т ттсоо К ТсооЯПоток массы через цилиндры дизеля определяется по формуле Р; Р; А -- "- - а+ а п + а - + аоае Р,1 дС где пд - частота вращения дизеля;аа, - постоянные.Предупреждение аварийных ситуаций .достигается следующим образом.Сигнал о том, что обнаруженная совокупность неисправностей отрицательно влияет на работу двигателя из-за недостатка воздуха и поэтому подлежит устранению при первой возможности, подается устройством вывода информации при одновременном уменьшении площадей Р;, вычисляемых по формуле ( 2 ), и нормированной площади эквивалентной газодинамической системы более чем на установленную величину Ь э, причем поток массы рабочего тела через эквивалентную камеру сгорания ( газодинамическую систему) вычисляют по форму- ле А = " Ь п + Ъ -".ф - + пя э; -дв в Т Тгде Ь,Ьв - постоянные.Построение моделей (определение постоянных) производят эксперимен тально для одного двигателя (например, на стенде) по результатам измерений рабочего тела на 12-20 режи-. мах его работы, распределенных во- для модели теплового потока ввоздухоохладителе(ЕТц-; и, т ) (13) Т, .р ф ов3 ф щС596996предельно-допустимому уменьшению дляданного дизеля коэффициенту избыткавоздуха В . Уменьшение О и Р более чем на величину Ьсвидетельствует о том, что процесс воздухоснабжения ухудшился настолько, чтодальнейшая эксплуатация дизеля втаких условиях и при таком состоя 10 нии ГВИ может привести к аварийнымситуациям из-за повышения теплонапряженности ЦПГ. Анализ отклоненийР от единицы также производится вБС и в БПИ выдаются соответствую - 15 щие рекомендации о необходимостинемедленного устранения обнаруженнойсовокупности неисправностей,Процесс начального обучения про, изводят для одного дизеля, однако20 для привязки построенных моделей кконкретному объекту с конкретной системой измерений предусмотрен блок 12адаптации (БА). При этом система работает в режиме адаптации (ветвь а)25 который сводится к определению всего двух коэффициентов для каждойадаптируемой модели С 1 и К; (1) порезультатам вычислений А, и Сйа 4-8 режимах работы дизеля, что30 легко осуществляется в эхсплуатации,При этом диагностирования не производится, а значения найденных коэффициентов записьвают в БПАП. Придальнейшем диагностировании эти зна - ЗБ чения считываются и поступают в БКдля коррекции А;,после чего диагностирование реализуется в установленном порядке. 13 значения п, и и - от датчиков 5,Зви после преобразования в нормирующих усилителях б подаются в ВОПИ 7, где статическими методами производится оценка степени стационарности параметров ГВТ, При стабильности потока осуществляется автоматический опрос датчиков, осреднение измеренных значений сигналов и вычисление потоков массы А, через -ый элемент, путем преобразования осредненных сигналов в соответствии с (3) (9). Коэффициенты в .указанных моделях определяют по результатам испыта ний на стенде в период начального обучения системы. Далее сигнал, опре деляющий значение А поступает в ,блок 8 коррекции потока, где по исходному значению А, определяется новое значение А, в соответствии с выражением (1). Причем для исходного состояния значения коэффициентов адаптации С и К считьваемые из блока 13 перепрограммируемой автономной памяти БПАП), равны единице. При работе системы в режиме диагностирования (направление 3) откорректированные значения А; передаются в БОСП 9, где определяются значения структурных параметров Р; в соответствии с 2), их отклонения от единицы, а в блоке 1 О сравнения производится сравнение полученных отклонений с заданными до пустимыми и предельными уставками. Если отклонение а, = 1"Р превышает Допустимый предел, то блок представления информации выдает диагноз об ухудшении технического состояния-ого объекта. При этом значение допустимого отклонения задается по результатам статистической обработки экспериментальных данных приначальном обучении из условия, чтос заданной надежностью вьвода уменьшение площади Р; более нем на6.свидетельствует о том, что зтоотклонение случайно т.е. не из-эаслучайных ошибок измерения, а из-заизменения технического состояния1.-го объекта). Второй, больший уровень отклонений является предельнымЬи задается иэ условий обеспечения нормального функционированиядизеля при снижении расхода воздуха. В качестве ограничительного параметра используется предельное отклонение Д= 1-Рсоответствующее 40 В ходе эксплуатации состояниядизеля и его агрегатов постоянно изменяются в результате естественного старения, износов, замены отдельных деталей, не идентичных между собой.4 Б При этом нарушается адекватность моделей и падает точность диагностирования. В этом случае раелизация режима адаптации позволяет определить новые значения С; и К; и, используя их в БК - поддерживать необходимую точность диагностирования, что придает определенную гибкость диагностической системе.Устройство реализует диагностичес кие модели в обобщенных переменных,которые представляют собой зависимости в виде плавных .монотонных кривых, а степенные модели в логарифмических координатах - в виде прос -1 п Сог Ь+ Ь 1 п А откуда получают искомые коэффициентыадаптации с = е о; К, = Ъ значениякоторых хранятся в БПАП и при диагностировании вводятся в БК. Для определения этих двух коэффициентов .тре, буется не менее двух режимных точек,но с учетом необходимости избыточности информации их количество можетбыть задано от 4 до 8, причем онидолжны быть по возможности шире распределены в зоне рабочих режимов.5 Ввиду малой трудоемкосТи процессадаптации может быть оперативно реализован без вывода объекта из эксплуатации.При новом изменении исходныхструктурных параметров адаптациюпроизводят вновь, причем в БПАП переписывают новые значения С,; К;.В качестве примера предлагаемого устройства может быть представлен макетный образец автоматизированной системы диагностирования элементовГВТ дизеля 64 Н 13/14 на дизельном стенде ЦНИДИ "Диагноз". В качестве первичных и вторичных преобразователей давлений использованы преобразователи "Сапфир 22" с блоками БПЗ температур - платиновые и медные термосопротивления, блоки ПТ-ТС, термопары Иь. (Сг/М 1) фирмы "АоТгодь.са", частоты вращения - ТЭСА. В качестве вычислителя использовался процессор интерпретирующий "Искра" с вводом данных посредством АЦП (он же использовался как блок сравнения), накопитель (встроенный) на магнитной ленте использовался как БПАП, а широкая печать "Даро" - в качестве БПИ.Процессор обучения осуществлялся на этой же системе при работе дизеля по четырем нагрузочным характеристикам (п = 1200 мин ,1300 мин 1400,мин , 500 мин ), причем на каждой характеристике фиксировалось по четыре режима, соответствующих 15 где К о, и- постоянные.о 1При построении моделей для поршневой части используют также зависимости в обобщенных переменных расхода через эквивалентный цилиндр (12) и уравнение энергии при истечении газа из эквивалентной камеры сгорания (13).На основании такого подхода при наличии в моделях малого числа переменных отпадает необходимость в большом числе экспериментальных точек при определении коэффициентов (при обучении системе).Для каждой нагрузочной характерис тики двигателя достаточно 4-5 режимных точек, используя при этом 3/5 нагрузочных характеристик, включающих и номинальный режим работы, и отстоящих одна от другой на 0-15% по частоте вращения.,20 30 35 ао Процесс определения коэффициентов осуществляют однократно, и их значения хранятся в памяти ВОПИ.В эксплуатации для конкретного дизеля и конкретной измерительной системы, а также после замены деталей и узлов ГВТ, переборок, очисток и т.д, необходимо производить адаптацию системы к новому исходному состоянию, для чего и предусмотрен блок адаптации. При этом модель А; уже рассматривается как новая обобщенная переменная, связанная с расходом уравнения неразрывности;(15) 45 50 55 Но в новых условиях (после переборки) происходит как бы.некоторое изменение структурнОго параметра Р, . 7 1359699 8 тых линейных функций .( прямых линий Принимая его за исходное (т.е. за для широкого поля рабочих режимов. условную единицу), определяют поток Так, исходную модель для проточных массы для новых, граничных условий, элементов (3) получают путем подста- что выражается в изменении двух5новки измеряемых параметров в (10) коэффициентов в исходных зависимоси решения ее относительно потока тях в критериях подобия, (10) и (11). массы А;. Аналогичным образом полу- В конечном итоге процесс адаптации чают модель и для потока теплоносите- сводится к решению системы линейных ля из (11).При этом модель (3) для 10 уравненийпотока охлаждающей воды в воздухоохладителе упрощается, так как плот(16) ность рабочего тела (воды) можнопринять постоянной. И поток массыА определяют по формулеооо 8А соотг. Ко(Р, - Т ) (14)"40 режиме при ухудшении теплообмена (принято А=5 С).Построенные модели записывают в блок 7 (БППИ) и устройство готово к диагностированию (в память ВОПИ заносят также отклонения " допустимые и предельные -Ь; ;Ь;дР ).ДопВ модели для компрессора вместо измеренной температуры может быть использовано ее расчетное значение, полученное на базе использования формулы Эйлера:Т Тб+аи +ЬРв . д тк ф где а,Ь - постоянные, определяемыеэкспериментально (дляпредставленного двигателяа = 3.10 , Ь = 5)Это позволяет уменьшить ошибкидиагностирования из-за сравнительно высокой инерционности канала измерения температур Аналогичная зависи,мость может быть получена и для ТЗначения коэффициентов моделейэлементов ГВТ исследуемого дизеляпредставлены ниже:Для модели А, (фильтра): К1,12.10 , и, = 0,4965;А. (компрессор): К = 0,0746,и = 0,337, .1 к = 0,3904 при ХЬ = 0,288 при Х (Ьк= 1 к е);А (проточная часть воздухоохладителя : К 1, = 1,447.1035и = 0,53024А (со стороны воды) - не оценива"Юлось;А (поверхность теплообмена):Кц = 0,9775, и = 1,0388, ш == 0,2089;А,. (турбина):.К 3,25.10шт Оф 5007 ф 1 т = Оф 4769,Ав (выхлоп): К = 1,76.10О 5523 ше Оф 65А 8 (поршневая часть как проточный элемент или эквивалентный цилиндр): а= 1,4526.10 , а,= 9,797.10 , а = -3,925.10а = 2,866.1050Аэ (эквивалентная камера сгорания - для общей оценки ГВТ): Ь= - 3,528.1 О , Ь = 1.9042.10Ь -3,1929.10 , Ь = -4,3259.10Ьд = 9,263.10 , Ъ = 2,554, 1 О ,Аналогичным образом, а также с использованием адаптации, были по 9912строены коэффициенты для моделей 22двухтактного дизеля 18 ДН2 х 30При диагностировании на любом установившемся режиме работы с помощьюпредлагаемого устройства измеряютвсе необходимые параметры рабочеготела и в вычислителе по построенныммоделям определяют для каждого -огоэлемента А Р, и Е д = 1-Р, Последние величины анализируют в блоке10 и выдают в блок 11 результаты,диагноза. В ходе экспериментальнойпроверки производилось загрязнениекомпрессора и проточной части воздухохладителя. графитомеловой смесью,уменьшение пропускной способностидизеля путем увеличения газовых зазоров впускных клапанов, в турбине использовались сопловые аппараты спогнутыми лопатками, с уменьшеннымпроходным сечением, для увеличениямеханических потерь ротора к подшипнику турбокомпрессора подавалосьмасло под давлением 120 кПа, сопротивление выхлопа увеличивалось припомощи специальной заслонки в выхлопном трубопроводе,Конкретные данные реализации предложенного способа диагностированияна различных режимах и при различных комбинациях неисправностей приведены в таблице. При оценке степенивлияния различных неисправностей нарабочий процесс дизеля с помощьюпараметра Р экспериментально установлено, что приотклонении Ь 7- 1-Р = 0,03 удельный расход топлива возрастает примерно на 1 Ж, приЬ = 0,1 - на 4 Ж а при Ь= 0,18соответственно на 127 Измерение параметров и оценку состояния производят на установившихся режимах при заданном условии, что температура воздуха за компрессором в течениеии 3 с изменяется необолее чем на 1 , среднее давление газа перед турбиной - не более чем на 1 кПа, а частота вращения ротора турбокомпрессора - не более, чем на-1 г100 мин ( максимальные значения этих величин составляют Ть = 400 К, Р, = 200 Па, и = 55000 и ).В таблице приведены результаты диагностирования на 6 различных режимах. Графы 1-6 соответствуют реализации программы диагностирования14 9699 5 10 15 20 25 30 35 1 40 50 55 13 135 на каждом из рассматриваемых режимов. В графе 7 (строки 34-41) приведены допустимые отклонения косвенных измерений эквивалентных структурных параметров. В строках 1 и 2 приведены значения мощности и частота вращения дизеля, характеризующие каждый из режимов его работы, а в строках 3-17 - значения измеренных теплотехнических параметров, В строках 18-25 - значения нормированных пото ков массы рабочего тела, полученные для каждого элемента по построенным моделям, В строках 26-33 представлены значения нормированных структурных параметров каждого элемента, а в строках 34-41 - их отклонения от исходного значения (единицы). Диагностическую версию выбирают путем сравнения полученных отклонений 6; с допустимыми Ь . В таблице значе Дс 0ния потоков массы через неисправные элементы, соответствующие значениям нормированных площадей и их отклонений от единицы, подчеркнуты.На режимах 1 и 2 двигатель работал при исправном состоянии всех элементов тракта, но с минимальным и максимальным расходами воздуха в исходном поле рабочих характеристик. На режиме 3 несколько завышено соп ротивление выхлопа (примерно на 990 Па), что не оказывает существенного влияния на работу дизеля, так какз в пределах допустимого.На режиме 4 - комбинация дефектов, Были введены следующие неисправности: загрязнен компрессор и проточная часть воздухоохладителя. В воздухоохладителе графитомеловая, смесь осела по периферии первого трубного пучка, при этом ухудшения эффективности теплообмена не произошло - Ьв пределах допуска.В графе 5 представлены данные диагностирования при наличии разветвленной комбинации неисправностей .в элементах газовоздушного тракта: загрязнен компрессор, проточная часть воздухоохладителя, увеличены зазоры впускных клапанов газораспределения дизеля до 2,4 мм, в турбине установлен сопловой аппарат с уменьшенным проходным сечением, повышено сопротивление выхлопа. Наличие этих неисправностей полностью подтверждается результатами диагноза. Режим 6 представляет данные диагностирования при загрязненном естественным путем воздушном фильтре, повышенном аэродинамическом сопротивлении воздухоохладителя и при работе турбины с уменьшенным проходным сечением входного фланца, что может бьггь эквивалентно попаданию построенного предмета или закоксовыванию защитных решеток турбин малооборотных дизелей. Перед реализацией данного режима была произведена ревизия компрессора с тщательной промьвкой его деталей и установкой зазоров рабочего колеса, после чего его характеристики заметно улучшились даже по сравнению с исходными. Об этом можно судить по отклонению структурного параметра компрессора Р в обратную сторону ( 6 - превышает Ь но имеет эГак -, в таблице подчеркнуто пунктиром).Результаты диагноза трех последних режимов 4-6 показывают, что обнаруженные неисправности оказьвают существенное влияние на рабочий процесс дизеля (см.строка 41 - отклонения Е ), а потому подлежат устранению при первой же возможности. По данным режима 4 в первую очередь следует произвести ревизиюкомпрессора, по данным режима 5 - компрессора и элементов выхлопа, по данным режима 6 - турбины. В таблице приведены лишь выборочные данные конкретных примеров реализации предлагаемого способа, Всего на стенде была осуществлена экс- периментальная проверка способа при наличии 42 различных как отдельных,так и композиционных неисправностейв различном их сочетании и при различных режимах работы двигателя,которая показала его работоспособность,Технический эффект от внедренияизобретения заключается в получениивозможности автоматического безразборного, бестестового периодическогоконтроля текущего технического состояния элементов газовоздушного тракта дизелей, позволяющего своевремен-.но локализовать неисправности, выявлять наиболее существенные дефекты,возникающие в процессе эксплуатации,и оценить их влияние на показателиработы двигателя,0,0824 0,16 Э 5 0,10950,14 0,1188 0,1171 0,12770,3363 Ое 024 Оз 677 О,Э 67 ,0,1287 15 13Экономический эффект от использования изобретения достигается путем экономии топлива, получаемой вследствие обеспечения эффективности воздухоснабжения, уменьшения затрат времени и средств на ремонт и техническое обслуживание, сокращения простоев объектов, использующих ди - зельный привод. Формула изобретения Устройство диагностирования технического состояния элементов газо- воздушного тракта дизеля, состоящее из первичных и вторичных измерительных преобразователей параметров давления, температуры и массового расхода рабочего тела на входе и выходе каждого -го элемента, а также частоты вращения ротора турбокомпрессора и вала дизеля, блока обработки первичной информации, блока сравнения полученных признаков с их эталонными значениями и блока представле 5969916ния диагностической информации порезультатам сравнения, причем выходы первичных и вторичных измерительных преобразователей подключены кблошку обработки первичной, которыйсвязан с блоком представления диагностической информации, через блоксравнения, о т л и ч а ю щ е е с я 10 тем, что, с целью повышения точностидиагностирования, распознавания вида неисправностей и их комбинаций,в состав устройства дополнительновключены блок коррекции, блок адап тации; блок программируемой автономной памяти и. блок определения структурных параметров, включенный последовательно с блоком коррекции в связьблока обработки первичной информа ции с блоком связи, блок адаптациивходом связан с выходом блока обработки первичной информации, а выхо-дом - с блоком программируемой автономной памяти, подключенным к друго 2 о му входу блока коррекции.