Что такое газотурбинный двигатель: Газотурбинный двигатель (ГТД) — Что такое Газотурбинный двигатель (ГТД)?
Газотурбинный двигатель | это… Что такое Газотурбинный двигатель?
Газотурбинный двигатель с одноступенчатым радиальным компрессором, турбиной, рекуператором, и воздушными подшипниками
Газотурбинный двигатель (ГТД) — тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины.
В отличие от поршневого двигателя, в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа.
Сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подаётся топливо, которое, сгорая, образует большое количество продуктов сгорания под высоким давлением. Затем в газовой турбине энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения струёй газа лопаток, часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передаётся на приводимый агрегат. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТД.
В качестве топлива могут использоваться любое горючее, которое можно диспергировать: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, природный газ, судовое топливо, водяной газ, спирт и измельченный уголь.
Содержание
|
1 Использование в танкахОсновные принципы работы
| В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. |
Как и во всех циклических тепловых двигателях, чем выше температура сгорания, тем выше КПД. Сдерживающим фактором является способность стали, никеля, керамики или других материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать температуру и давление. Значительная часть инженерных разработок направлена на то, чтобы отводить тепло от частей турбины. Большинство турбин также пытаются рекуперировать тепло выхлопных газов, которое, в противном случае, теряется впустую.
Как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток.[источник не указан 404 дня] Максимальная скорость турбинных лопаток определяет максимальное давление, которое может быть достигнуто, что приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера двигателя. Реактивный двигатель вращается с частотой около 10000 об/мин и микро-турбина — с частотой около 100000 об/мин. [источник не указан 404 дня]
Авиационные двигатели также часто используются для генерации электрической мощности, благодаря их способности запускаться, останавливаться и изменять нагрузку быстрее, чем промышленные машины.
[источник не указан 404 дня]
Типы газотурбинных двигателей
Схема турбореактивного двигателя
Воздушно-реактивный двигатель — газовый двигатель, оптимизированный для получения тяги от выхлопных газов или от туннельного вентилятора, присоединенного к газовой турбине.[источник не указан 404 дня]Реактивные двигатели, которые производят тягу, главным образом, от прямого импульса выхлопных газов, часто называются турбореактивными, в то время, как те, которые создают тягу от туннельного вентилятора, часто называются турбовентиляторными.
Одновальные и многовальные двигатели
Простейший газотурбинный двигатель имеет только одну турбину, которая приводит компрессор и одновременно является источником полезной мощности. Это накладывает ограничение на режимы работы двигателя.
Иногда двигатель выполняется многовальным. В этом случае имеется несколько последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал.
Турбина высокого давления (первая после камеры сгорания) всегда приводит компрессор двигателя, а последующие могут приводить как внешнюю нагрузку (винты вертолёта или корабля, мощные электрогенераторы и т. д.), так и дополнительные компрессоры самого двигателя, расположенные перед основным.
Преимущество многовального двигателя в том, что каждая турбина работает при оптимальном числе оборотов и нагрузке. При нагрузке, приводимой от вала одновального двигателя, была бы очень плоха приемистость двигателя, то есть способность к быстрой раскрутке, так как турбине требуется поставлять мощность и для обеспечения двигателя большим количеством воздуха (мощность ограничивается количеством воздуха), и для разгона нагрузки. При двухвальной схеме легкий ротор высокого давления быстро выходит на режим, обеспечивая двигатель воздухом, а турбину низкого давления большим количеством газов для разгона. Также есть возможность использовать менее мощный стартер для разгона при пуске только ротора высокого давления.
Турбореактивный двигатель
Схема турбореактивного двигателя: 1 — входное устройство; 2 — осевой компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — рабочие лопатки турбины; 5 — сопло.
В полёте поток воздуха тормозится во входном устройстве перед компрессором, в результате чего его температура и давление повышается. На земле во входном устройстве воздух ускоряется, его температура и давление снижаются.
Проходя через компрессор, воздух сжимается, его давление повышается в 10—45 раз, возрастает его температура. Компрессоры газотурбинных двигателей делятся на осевые и центробежные. В наши дни в двигателях наиболее распространены многоступенчатые осевые компрессоры. Центробежные компрессоры, как правило, применяются в малогабаритных силовых установках.
Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, в так называемые жаровые трубы, либо в кольцевую камеру сгорания, которая не состоит из отдельных труб, а является цельным кольцевым элементом. В наши дни кольцевые камеры сгорания являются наиболее распространёнными.
Газовоздушная смесь расширяется и часть её энергии преобразуется в турбине через рабочие лопатки в механическую энергию вращения основного вала.
Эта энергия расходуется, в первую очередь, на работу компрессора, а также используется для привода агрегатов двигателя (топливных подкачивающих насосов, масляных насосов и т. п.) и привода электрогенераторов, обеспечивающих энергией различные бортовые системы.
Основная часть энергии расширяющейся газовоздушной смеси идёт на ускорение газового потока в сопле и создание реактивной тяги.
Чем выше температура сгорания, тем выше КПД двигателя. Для предупреждения разрушения деталей двигателя используют жаропрочные сплавы, оснащённые системами охлаждения, и термобарьерные покрытия.
Турбореактивный двигатель с форсажной камерой
Турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДФ) — модификация ТРД, применяемая в основном на сверхзвуковых самолётах. Между турбиной и соплом устанавливается дополнительная форсажная камера, в которой сжигается дополнительное горючее. В результате происходит увеличение тяги (форсаж) до 50%, но расход топлива резко возрастает. Двигатели с форсажной камерой, как правило, не используются в коммерческой авиации по причине их низкой экономичности.
| Поколение/ период | Т-ра газа перед турбиной °C | Степень сжатия газа, πк* | Характерные представители | Где установлены |
|---|---|---|---|---|
| 1 поколение 1943-1949 гг. | 730-780 | 3-6 | BMW 003, Jumo 004 | Me 262, Ar 234, He 162 |
| 2 поколение 1950-1960 гг. | 880-980 | 7-13 | J 79, Р11-300 | F-104, F4, МиГ-21 |
| 3 поколение 1960-1970 гг. | 1030-1180 | 16-20 | TF 30, J 58, АЛ 21Ф | F-111, SR 71, МиГ-23Б, Су-24 |
| 4 поколение 1970-1980 гг. | 1200-1400 | 21-25 | F 100, F 110, F404, РД-33, АЛ-31Ф | F-15, F-16, МиГ-29, Су-27 |
| 5 поколение 2000-2020 гг. | 1500-1650 | 25-30 | F119-PW-100, EJ200, F414, АЛ-41Ф | F-22, F-35, ПАК ФА |
Начиная с 4-го поколения рабочие лопатки турбины выполняются из монокристаллических сплавов, охлаждаемые.
Турбовинтовой двигатель
Основная статья: Турбовинтовые двигатели
Схема турбовинтового двигателя: 1 — воздушный винт; 2 — редуктор; 3 — турбокомпрессор.
В турбовинтовом двигателе (ТВД) основное тяговое усилие обеспечивает воздушный винт, соединённый через редуктор с валом турбокомпрессора. Для этого используется турбина с увеличенным числом ступеней, так что расширение газа в турбине происходит почти полностью и только 10—15 % тяги обеспечивается за счёт газовой струи.
Турбовинтовые двигатели гораздо более экономичны на малых скоростях полёта и широко используются для самолётов, имеющих большую грузоподъёмность и дальность полёта. Крейсерская скорость самолётов, оснащённых ТВД, 600—800 км/ч.
Турбовальный двигатель
Турбовальный двигатель (ТВаД) — газотурбинный двигатель, у которого вся развиваемая мощность через выходной вал передается потребителю. Основная область применения — силовые установки вертолетов.
Двухконтурные двигатели
Дальнейшее повышение эффективности двигателей связано с появлением так называемого внешнего контура. Часть избыточной мощности турбины передаётся компрессору низкого давления на входе двигателя.
Двухконтурный турбореактивный двигатель
Схема турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) со смешением потоков: 1 — компрессор низкого давления; 2 — внутренний контур; 3 — выходной поток внутреннего контура; 4 — выходной поток внешнего контура.
В турбореактивном двухконтурном двигателе (ТРДД) воздушный поток попадает в компрессор низкого давления, после чего часть потока проходит по обычной схеме через турбокомпрессор, а остальная часть (холодная) проходит через внешний контур и выбрасывается без сгорания, создавая дополнительную тягу. В результате снижается температура выходного газа, снижается расход топлива и уменьшается шум двигателя. Отношение количества воздуха, прошедшего через внешний контур, к количеству прошедшего через внутренний контур воздуха называется степенью двухконтурности (m).
Двигатели с малой степенью двухконтурности (m<2) применяются для сверхзвуковых самолётов, двигатели с m>2 для дозвуковых пассажирских и транспортных самолётов.
Турбовентиляторный двигатель
Основная статья: Турбовентиляторный двигатель
Схема турбореактивного двухконтурного двигателя без смешения потоков (Турбовентиляторного двигателя): 1 — вентилятор; 2 — защитный обтекатель; 3 — турбокомпрессор; 4 — выходной поток внутреннего контура; 5 — выходной поток внешнего контура.
Турбовентиляторный реактивный двигатель (ТВРД) — это ТРДД со степенью двухконтурности m=2—10. Здесь компрессор низкого давления преобразуется в вентилятор, отличающийся от компрессора меньшим числом ступеней и большим диаметром, и горячая струя практически не смешивается с холодной.
Турбовинтовентиляторный двигатель
Дальнейшим развитием ТВРД с увеличением степени двухконтурности m=20—90 является турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД). В отличие от турбовинтового двигателя, лопасти двигателя ТВВД имеют саблевидную форму, что позволяет перенаправить часть воздушного потока в компрессор и повысить давление на входе компрессора. Такой двигатель получил название винтовентилятор и может быть как открытым, так и закапотированным кольцевым обтекателем. Второе отличие — винтовентилятор приводится от турбины не напрямую, как вентилятор, а через редуктор.
Вспомогательная силовая установка
Вспомогательная силовая установка (ВСУ) — небольшой газотурбинный двигатель, являющийся дополнительным источником мощности, например, для запуска маршевых двигателей самолетов. ВСУ обеспечивает бортовые системы сжатым воздухом ( в том числе для вентиляции салона), электроэнергией и создает давление в гидросистеме летательного аппарата.
Судовые установки
Используются в судовой промышленности для снижения веса.
GE LM2500 и LM6000 — две характерных модели этого типа машин.
Наземные двигательные установки
Другие модификации газотурбинных двигателей используются в качестве силовых установок на судах (газотурбоходы), железнодорожном (газотурбовозы) и другом наземном транспорте, а также на электростанциях, в том числе, передвижных, и для перекачки природного газа. Принцип работы практически не отличается от турбовинтовых двигателей.
Газовая турбина с замкнутым циклом
В газовой турбине с замкнутым циклом рабочий газ циркулирует без контакта с окружающей средой. Нагрев (перед турбиной) и охлаждение (перед компрессором) газа производится в теплообменниках. Такая система позволяет использовать любой источник тепла (например, газоохлаждаемый ядерный реактор). Если в качестве источника тепла используется сгорание топлива, то такое устройство называют турбиной внешнего сгорания. На практике газовые турбины с замкнутым циклом используются редко.
Газовая турбина с внешним сгоранием
| В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. |
Большинство газовых турбин представляют собой двигатели внутреннего сгорания, но также возможно построить газовую турбину внешнего сгорания, которая, фактически, является турбинной версией теплового двигателя.[источник не указан 404 дня]
При внешнем сгорании в качестве топлива используется пылевидный уголь или мелкоистолченная биомасса (например, опилки). Внешнее сжигание газа используется как непосредственно, так и косвенно. В прямой системе, продукты сгорания проходят сквозь турбину. В косвенной системе, используется теплообменник и чистый воздух проходит сквозь турбину. Тепловой КПД ниже в системе внешнего сгорания косвенного типа, однако лопасти не подвергаются воздействию продуктов сгорания.
Использование в наземных транспортных средствах
В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. |
Rover JET1
STP Oil Treatment Special на выставке в зале славы музея трассы Indianapolis Motor Speedway показана вместе с газовой турбиной Pratt & Whitney.
A 1968 Howmet TX — единственная в истории турбина, принесшая победу в автомобильной гонке.
Газовые турбины используются в кораблях, локомотивах и танках. Множество экспериментов проводилось с автомобилями, оснащенными газовыми турбинами.
В 1950 году дизайнер Ф.Р. Белл и главный инженер Морис Вилкс в британской компании Rover Company анонсировал первый автомобиль с приводом от газотурбинного двигателя. Двухместный JET1 имел двигатель, расположенный позади сидений, решетки воздухозаборника по обеим сторонам машины, и выхлопные отверстия на верхней части хвоста.
В ходе испытаний автомобиль достиг максимальной скорости 140 км/ч, на скорости турбины 50000 об/мин. Автомобиль работал на бензине, парафиновом или дизельном маслах, но проблемы с потреблением топлива оказались непреодолимыми для производства автомобилей. В настоящее время он выставлен в Лондоне в Музее Науки.
Команды Rover и British Racing Motors (BRM) (Формула-1) объединили усилия для создания Rover-BRM, авто, с приводом от газовых турбин, которое приняло участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1963 года, управляемое Грэмом Хиллом и Гитнером Ричи. Оно имело среднюю скорость — 107,8 миль/ч (173 км/ч), а максимальную скорость — 142 миль/ч (229 км/ч). Американские компании Ray Heppenstall, Howmet Corporation и McKee Engineering объединились для совместной разработки собственных газотурбинных спортивных автомобилей в 1968 году, Howmet TX приняла участие в нескольких американских и европейских гонках, в том числе завоевав две победы, а также принимала участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1968 года.
Автомобили использовали газовые турбины Continental Motors Company, благодаря которым, в конечном итоге, ФИА было установлено шесть посадочных скоростей для машин с приводом от турбин.
На гонках автомобилей с открытыми колёсами, революционное полноприводное авто 1967 года STP Oil Treatment Special с приводом от турбины, специально подобранной легендой гонок Эндрю Гранателли и управляемое Парнелли Джонсом, почти выиграло в гонке «Инди-500»; авто с турбиной STP компании Pratt & Whitney обгоняло почти на круг авто, шедшее вторым, когда у него неожиданно отказала коробка передач за три круга до финишной черты. В 1971 глава компании Lotus Колин Чепмен представил авто Lotus 56B F1, с приводом от газовой турбины Pratt & Whitney. У Чепмена была репутация создателя машин-победителей, но он вынужден был отказаться от этого проекта из-за многочисленных проблем с инерционностью турбин (турболагом).
Оригинальная серия концептуальных авто General Motors Firebird была разработана для автовыставки Моторама 1953, 1956, 1959 годов, с приводом от газовых турбин.
Использование в танках
Первые исследования в области применения газовой турбины в танках проводились в Германии Управлением вооруженных сухопутных сил начиная с середины 1944 года. Первым массовым танком, на котором устанавливали газотурбинный двигатель стал С-танк. Газовые двигатели установлены в российском Т-80 и американском М1 Абрамс.
Газотурбинные двигатели, устанавливаемые в танках, имеют при схожих с дизельными размерами гораздо большую мощность, меньший вес и меньшую шумность. Однако из-за низкого КПД подобных двигателей требуется гораздо большее количество топлива для сравнимого с дизельным двигателем запаса хода.
Конструкторы газотурбинных двигателей
- Соловьёв, Павел Александрович
- Уиттл, Фрэнк
- Охайн, Ханс-Иоахим Пабст фон
- Колосов, Сергей Дмитриевич
- Кухто, Николай Кузьмич
- Климов, Владимир Яковлевич
- Кузнецов, Николай Дмитриевич (авиаконструктор)
- Люлька, Архип Михайлович
См.
также- Турбовинтовой двигатель
- Воздушно-реактивный двигатель
- Реактивный двигатель
Ссылки
- Газотурбинный двигатель — статья из Большой советской энциклопедии
- ГОСТ Р 51852-2001 Установки газотурбинные. Термины и определения.
- Словарь терминов на АвиаПорт. Ru
- Расчет газотурбинной установки
- Technology Speed of Civil Jet Engines
Газотурбинный двигатель | это… Что такое Газотурбинный двигатель?
Газотурбинный двигатель с одноступенчатым радиальным компрессором, турбиной, рекуператором, и воздушными подшипниками
Газотурбинный двигатель (ГТД) — тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины.
В отличие от поршневого двигателя, в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа.
Сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подаётся топливо, которое, сгорая, образует большое количество продуктов сгорания под высоким давлением.
Затем в газовой турбине энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения струёй газа лопаток, часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передаётся на приводимый агрегат. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТД. Газотурбинные двигатели имеют самую большую удельную мощность среди ДВС, до 6 кВт/кг.
В качестве топлива могут использоваться любое горючее, которое можно диспергировать: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, природный газ, судовое топливо, водяной газ, спирт и измельченный уголь.
Содержание
|
1 Двухконтурный турбореактивный двигательОсновные принципы работы
| В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. |
Как и во всех циклических тепловых двигателях, чем выше температура сгорания, тем выше КПД.
Сдерживающим фактором является способность стали, никеля, керамики или других материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать температуру и давление. Значительная часть инженерных разработок направлена на то, чтобы отводить тепло от частей турбины. Большинство турбин также пытаются рекуперировать тепло выхлопных газов, которое, в противном случае, теряется впустую. Рекуператоры — это теплообменники, которые передают тепло выхлопных газов сжатому воздуху перед сгоранием. При комбинированном цикле тепло передается системам паровых турбин. И при комбинированном производстве тепла и электроэнергии (когенерация) отработанное тепло используется для производства горячей воды.
Как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток.[источник не указан 404 дня] Максимальная скорость турбинных лопаток определяет максимальное давление, которое может быть достигнуто, что приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера двигателя.
Реактивный двигатель вращается с частотой около 10000 об/мин и микро-турбина — с частотой около 100000 об/мин.[источник не указан 404 дня]
Авиационные двигатели также часто используются для генерации электрической мощности, благодаря их способности запускаться, останавливаться и изменять нагрузку быстрее, чем промышленные машины.[источник не указан 404 дня]
Типы газотурбинных двигателей
Схема турбореактивного двигателя
Воздушно-реактивный двигатель — газовый двигатель, оптимизированный для получения тяги от выхлопных газов или от туннельного вентилятора, присоединенного к газовой турбине.[источник не указан 404 дня]Реактивные двигатели, которые производят тягу, главным образом, от прямого импульса выхлопных газов, часто называются турбореактивными, в то время, как те, которые создают тягу от туннельного вентилятора, часто называются турбовентиляторными.[источник не указан 404 дня]
Одновальные и многовальные двигатели
Простейший газотурбинный двигатель имеет только одну турбину, которая приводит компрессор и одновременно является источником полезной мощности.
Это накладывает ограничение на режимы работы двигателя.
Иногда двигатель выполняется многовальным. В этом случае имеется несколько последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал. Турбина высокого давления (первая после камеры сгорания) всегда приводит компрессор двигателя, а последующие могут приводить как внешнюю нагрузку (винты вертолёта или корабля, мощные электрогенераторы и т. д.), так и дополнительные компрессоры самого двигателя, расположенные перед основным.
Преимущество многовального двигателя в том, что каждая турбина работает при оптимальном числе оборотов и нагрузке. При нагрузке, приводимой от вала одновального двигателя, была бы очень плоха приемистость двигателя, то есть способность к быстрой раскрутке, так как турбине требуется поставлять мощность и для обеспечения двигателя большим количеством воздуха (мощность ограничивается количеством воздуха), и для разгона нагрузки. При двухвальной схеме легкий ротор высокого давления быстро выходит на режим, обеспечивая двигатель воздухом, а турбину низкого давления большим количеством газов для разгона.
Также есть возможность использовать менее мощный стартер для разгона при пуске только ротора высокого давления.
Турбореактивный двигатель
Схема турбореактивного двигателя: 1 — входное устройство; 2 — осевой компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — рабочие лопатки турбины; 5 — сопло.
В полёте поток воздуха тормозится во входном устройстве перед компрессором, в результате чего его температура и давление повышается. На земле во входном устройстве воздух ускоряется, его температура и давление снижаются.
Проходя через компрессор, воздух сжимается, его давление повышается в 10—45 раз, возрастает его температура. Компрессоры газотурбинных двигателей делятся на осевые и центробежные. В наши дни в двигателях наиболее распространены многоступенчатые осевые компрессоры. Центробежные компрессоры, как правило, применяются в малогабаритных силовых установках.
Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, в так называемые жаровые трубы, либо в кольцевую камеру сгорания, которая не состоит из отдельных труб, а является цельным кольцевым элементом.
В наши дни кольцевые камеры сгорания являются наиболее распространёнными. Трубчатые камеры сгорания используются гораздо реже, в основном на военных самолётах. Воздух на входе в камеру сгорания разделяется на первичный, вторичный и третичный. Первичный воздух поступает в камеру сгорания через специальное окно в передней части, по центру которого расположен фланец крепления форсунки и участвует непосредственно в окислении (сгорании) топлива (формировании топливо-воздушной смеси). Вторичный воздух поступает в камеру сгорания сквозь отверстия в стенках жаровой трубы, охлаждая, придавая форму факелу и не участвуя в горении. Третичный воздух подаётся в камеру сгорания уже на выходе из неё, для выравнивания поля температур. При работе двигателя в передней части жаровой трубы всегда вращается вихрь раскалённого газа (что обусловлено специальной формой передней части жаровой трубы), постоянно поджигающего формируемую топливовоздушную смесь, происходит сгорание топлива (керосина, газа), поступающего через форсунки в парообразном состоянии.
Газовоздушная смесь расширяется и часть её энергии преобразуется в турбине через рабочие лопатки в механическую энергию вращения основного вала. Эта энергия расходуется, в первую очередь, на работу компрессора, а также используется для привода агрегатов двигателя (топливных подкачивающих насосов, масляных насосов и т. п.) и привода электрогенераторов, обеспечивающих энергией различные бортовые системы.
Основная часть энергии расширяющейся газовоздушной смеси идёт на ускорение газового потока в сопле и создание реактивной тяги.
Чем выше температура сгорания, тем выше КПД двигателя. Для предупреждения разрушения деталей двигателя используют жаропрочные сплавы, оснащённые системами охлаждения, и термобарьерные покрытия.
Турбореактивный двигатель с форсажной камерой
Турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДФ) — модификация ТРД, применяемая в основном на сверхзвуковых самолётах. Между турбиной и соплом устанавливается дополнительная форсажная камера, в которой сжигается дополнительное горючее.
В результате происходит увеличение тяги (форсаж) до 50%, но расход топлива резко возрастает. Двигатели с форсажной камерой, как правило, не используются в коммерческой авиации по причине их низкой экономичности.
| Поколение/ период | Т-ра газа перед турбиной °C | Степень сжатия газа, πк* | Характерные представители | Где установлены |
|---|---|---|---|---|
| 1 поколение 1943-1949 гг. | 730-780 | 3-6 | BMW 003, Jumo 004 | Me 262, Ar 234, He 162 |
| 2 поколение 1950-1960 гг. | 880-980 | 7-13 | J 79, Р11-300 | F-104, F4, МиГ-21 |
| 3 поколение 1960-1970 гг. | 1030-1180 | 16-20 | TF 30, J 58, АЛ 21Ф | F-111, SR 71, МиГ-23Б, Су-24 |
| 4 поколение 1970-1980 гг. | 1200-1400 | 21-25 | F 100, F 110, F404, РД-33, АЛ-31Ф | F-15, F-16, МиГ-29, Су-27 |
| 5 поколение 2000-2020 гг.  | 1500-1650 | 25-30 | F119-PW-100, EJ200, F414, АЛ-41Ф | F-22, F-35, ПАК ФА |
Начиная с 4-го поколения рабочие лопатки турбины выполняются из монокристаллических сплавов, охлаждаемые.
Турбовинтовой двигатель
Основная статья: Турбовинтовые двигатели
Схема турбовинтового двигателя: 1 — воздушный винт; 2 — редуктор; 3 — турбокомпрессор.
В турбовинтовом двигателе (ТВД) основное тяговое усилие обеспечивает воздушный винт, соединённый через редуктор с валом турбокомпрессора. Для этого используется турбина с увеличенным числом ступеней, так что расширение газа в турбине происходит почти полностью и только 10—15 % тяги обеспечивается за счёт газовой струи.
Турбовинтовые двигатели гораздо более экономичны на малых скоростях полёта и широко используются для самолётов, имеющих большую грузоподъёмность и дальность полёта. Крейсерская скорость самолётов, оснащённых ТВД, 600—800 км/ч.
Турбовальный двигатель
Турбовальный двигатель (ТВаД) — газотурбинный двигатель, у которого вся развиваемая мощность через выходной вал передается потребителю. Основная область применения — силовые установки вертолетов.
Двухконтурные двигатели
Дальнейшее повышение эффективности двигателей связано с появлением так называемого внешнего контура. Часть избыточной мощности турбины передаётся компрессору низкого давления на входе двигателя.
Двухконтурный турбореактивный двигатель
Схема турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) со смешением потоков: 1 — компрессор низкого давления; 2 — внутренний контур; 3 — выходной поток внутреннего контура; 4 — выходной поток внешнего контура.
В турбореактивном двухконтурном двигателе (ТРДД) воздушный поток попадает в компрессор низкого давления, после чего часть потока проходит по обычной схеме через турбокомпрессор, а остальная часть (холодная) проходит через внешний контур и выбрасывается без сгорания, создавая дополнительную тягу.
В результате снижается температура выходного газа, снижается расход топлива и уменьшается шум двигателя. Отношение количества воздуха, прошедшего через внешний контур, к количеству прошедшего через внутренний контур воздуха называется степенью двухконтурности (m). При степени двухконтурности <4 потоки контуров на выходе, как правило, смешиваются и выбрасываются через общее сопло, если m>4 — потоки выбрасываются раздельно, так как из-за значительной разности давлений и скоростей смешение затруднительно.
Двигатели с малой степенью двухконтурности (m<2) применяются для сверхзвуковых самолётов, двигатели с m>2 для дозвуковых пассажирских и транспортных самолётов.
Турбовентиляторный двигатель
Основная статья: Турбовентиляторный двигатель
Схема турбореактивного двухконтурного двигателя без смешения потоков (Турбовентиляторного двигателя): 1 — вентилятор; 2 — защитный обтекатель; 3 — турбокомпрессор; 4 — выходной поток внутреннего контура; 5 — выходной поток внешнего контура.
Турбовентиляторный реактивный двигатель (ТВРД) — это ТРДД со степенью двухконтурности m=2—10. Здесь компрессор низкого давления преобразуется в вентилятор, отличающийся от компрессора меньшим числом ступеней и большим диаметром, и горячая струя практически не смешивается с холодной.
Турбовинтовентиляторный двигатель
Дальнейшим развитием ТВРД с увеличением степени двухконтурности m=20—90 является турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД). В отличие от турбовинтового двигателя, лопасти двигателя ТВВД имеют саблевидную форму, что позволяет перенаправить часть воздушного потока в компрессор и повысить давление на входе компрессора. Такой двигатель получил название винтовентилятор и может быть как открытым, так и закапотированным кольцевым обтекателем. Второе отличие — винтовентилятор приводится от турбины не напрямую, как вентилятор, а через редуктор.
Вспомогательная силовая установка
Вспомогательная силовая установка (ВСУ) — небольшой газотурбинный двигатель, являющийся дополнительным источником мощности, например, для запуска маршевых двигателей самолетов.
ВСУ обеспечивает бортовые системы сжатым воздухом ( в том числе для вентиляции салона), электроэнергией и создает давление в гидросистеме летательного аппарата.
Судовые установки
Используются в судовой промышленности для снижения веса. GE LM2500 и LM6000 — две характерных модели этого типа машин.
Наземные двигательные установки
Другие модификации газотурбинных двигателей используются в качестве силовых установок на судах (газотурбоходы), железнодорожном (газотурбовозы) и другом наземном транспорте, а также на электростанциях, в том числе, передвижных, и для перекачки природного газа. Принцип работы практически не отличается от турбовинтовых двигателей.
Газовая турбина с замкнутым циклом
В газовой турбине с замкнутым циклом рабочий газ циркулирует без контакта с окружающей средой. Нагрев (перед турбиной) и охлаждение (перед компрессором) газа производится в теплообменниках. Такая система позволяет использовать любой источник тепла (например, газоохлаждаемый ядерный реактор).
Если в качестве источника тепла используется сгорание топлива, то такое устройство называют турбиной внешнего сгорания. На практике газовые турбины с замкнутым циклом используются редко.
Газовая турбина с внешним сгоранием
| В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. |
Большинство газовых турбин представляют собой двигатели внутреннего сгорания, но также возможно построить газовую турбину внешнего сгорания, которая, фактически, является турбинной версией теплового двигателя.[источник не указан 404 дня]
При внешнем сгорании в качестве топлива используется пылевидный уголь или мелкоистолченная биомасса (например, опилки). Внешнее сжигание газа используется как непосредственно, так и косвенно.
В прямой системе, продукты сгорания проходят сквозь турбину. В косвенной системе, используется теплообменник и чистый воздух проходит сквозь турбину. Тепловой КПД ниже в системе внешнего сгорания косвенного типа, однако лопасти не подвергаются воздействию продуктов сгорания.
Использование в наземных транспортных средствах
| В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. |
Rover JET1
STP Oil Treatment Special на выставке в зале славы музея трассы Indianapolis Motor Speedway показана вместе с газовой турбиной Pratt & Whitney.
A 1968 Howmet TX — единственная в истории турбина, принесшая победу в автомобильной гонке.
Газовые турбины используются в кораблях, локомотивах и танках. Множество экспериментов проводилось с автомобилями, оснащенными газовыми турбинами.
В 1950 году дизайнер Ф.Р. Белл и главный инженер Морис Вилкс в британской компании Rover Company анонсировал первый автомобиль с приводом от газотурбинного двигателя. Двухместный JET1 имел двигатель, расположенный позади сидений, решетки воздухозаборника по обеим сторонам машины, и выхлопные отверстия на верхней части хвоста. В ходе испытаний автомобиль достиг максимальной скорости 140 км/ч, на скорости турбины 50000 об/мин. Автомобиль работал на бензине, парафиновом или дизельном маслах, но проблемы с потреблением топлива оказались непреодолимыми для производства автомобилей. В настоящее время он выставлен в Лондоне в Музее Науки.
Команды Rover и British Racing Motors (BRM) (Формула-1) объединили усилия для создания Rover-BRM, авто, с приводом от газовых турбин, которое приняло участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1963 года, управляемое Грэмом Хиллом и Гитнером Ричи.
Оно имело среднюю скорость — 107,8 миль/ч (173 км/ч), а максимальную скорость — 142 миль/ч (229 км/ч). Американские компании Ray Heppenstall, Howmet Corporation и McKee Engineering объединились для совместной разработки собственных газотурбинных спортивных автомобилей в 1968 году, Howmet TX приняла участие в нескольких американских и европейских гонках, в том числе завоевав две победы, а также принимала участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1968 года. Автомобили использовали газовые турбины Continental Motors Company, благодаря которым, в конечном итоге, ФИА было установлено шесть посадочных скоростей для машин с приводом от турбин.
На гонках автомобилей с открытыми колёсами, революционное полноприводное авто 1967 года STP Oil Treatment Special с приводом от турбины, специально подобранной легендой гонок Эндрю Гранателли и управляемое Парнелли Джонсом, почти выиграло в гонке «Инди-500»; авто с турбиной STP компании Pratt & Whitney обгоняло почти на круг авто, шедшее вторым, когда у него неожиданно отказала коробка передач за три круга до финишной черты.
В 1971 глава компании Lotus Колин Чепмен представил авто Lotus 56B F1, с приводом от газовой турбины Pratt & Whitney. У Чепмена была репутация создателя машин-победителей, но он вынужден был отказаться от этого проекта из-за многочисленных проблем с инерционностью турбин (турболагом).
Оригинальная серия концептуальных авто General Motors Firebird была разработана для автовыставки Моторама 1953, 1956, 1959 годов, с приводом от газовых турбин.
Использование в танках
Первые исследования в области применения газовой турбины в танках проводились в Германии Управлением вооруженных сухопутных сил начиная с середины 1944 года. Первым массовым танком, на котором устанавливали газотурбинный двигатель стал С-танк. Газовые двигатели установлены в российском Т-80 и американском М1 Абрамс.
Газотурбинные двигатели, устанавливаемые в танках, имеют при схожих с дизельными размерами гораздо большую мощность, меньший вес и меньшую шумность. Однако из-за низкого КПД подобных двигателей требуется гораздо большее количество топлива для сравнимого с дизельным двигателем запаса хода.
Конструкторы газотурбинных двигателей
- Соловьёв, Павел Александрович
- Уиттл, Фрэнк
- Охайн, Ханс-Иоахим Пабст фон
- Колосов, Сергей Дмитриевич
- Кухто, Николай Кузьмич
- Климов, Владимир Яковлевич
- Кузнецов, Николай Дмитриевич (авиаконструктор)
- Люлька, Архип Михайлович
См. также
- Турбовинтовой двигатель
- Воздушно-реактивный двигатель
- Реактивный двигатель
Ссылки
- Газотурбинный двигатель — статья из Большой советской энциклопедии
- ГОСТ Р 51852-2001 Установки газотурбинные. Термины и определения.
- Словарь терминов на АвиаПорт. Ru
- Расчет газотурбинной установки
- Technology Speed of Civil Jet Engines
Газотурбинный двигатель | это… Что такое Газотурбинный двигатель?
Газотурбинный двигатель с одноступенчатым радиальным компрессором, турбиной, рекуператором, и воздушными подшипниками
Газотурбинный двигатель (ГТД) — тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины.
В отличие от поршневого двигателя, в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа.
Сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подаётся топливо, которое, сгорая, образует большое количество продуктов сгорания под высоким давлением. Затем в газовой турбине энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения струёй газа лопаток, часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передаётся на приводимый агрегат. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТД. Газотурбинные двигатели имеют самую большую удельную мощность среди ДВС, до 6 кВт/кг.
В качестве топлива могут использоваться любое горючее, которое можно диспергировать: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, природный газ, судовое топливо, водяной газ, спирт и измельченный уголь.
Содержание
|
1 Турбореактивный двигатель с форсажной камеройОсновные принципы работы
| В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. |
Как и во всех циклических тепловых двигателях, чем выше температура сгорания, тем выше КПД. Сдерживающим фактором является способность стали, никеля, керамики или других материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать температуру и давление. Значительная часть инженерных разработок направлена на то, чтобы отводить тепло от частей турбины. Большинство турбин также пытаются рекуперировать тепло выхлопных газов, которое, в противном случае, теряется впустую. Рекуператоры — это теплообменники, которые передают тепло выхлопных газов сжатому воздуху перед сгоранием. При комбинированном цикле тепло передается системам паровых турбин. И при комбинированном производстве тепла и электроэнергии (когенерация) отработанное тепло используется для производства горячей воды.
Как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток.
[источник не указан 404 дня] Максимальная скорость турбинных лопаток определяет максимальное давление, которое может быть достигнуто, что приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера двигателя. Реактивный двигатель вращается с частотой около 10000 об/мин и микро-турбина — с частотой около 100000 об/мин.[источник не указан 404 дня]
Авиационные двигатели также часто используются для генерации электрической мощности, благодаря их способности запускаться, останавливаться и изменять нагрузку быстрее, чем промышленные машины.[источник не указан 404 дня]
Типы газотурбинных двигателей
Схема турбореактивного двигателя
Воздушно-реактивный двигатель — газовый двигатель, оптимизированный для получения тяги от выхлопных газов или от туннельного вентилятора, присоединенного к газовой турбине.[источник не указан 404 дня]Реактивные двигатели, которые производят тягу, главным образом, от прямого импульса выхлопных газов, часто называются турбореактивными, в то время, как те, которые создают тягу от туннельного вентилятора, часто называются турбовентиляторными.
[источник не указан 404 дня]
Одновальные и многовальные двигатели
Простейший газотурбинный двигатель имеет только одну турбину, которая приводит компрессор и одновременно является источником полезной мощности. Это накладывает ограничение на режимы работы двигателя.
Иногда двигатель выполняется многовальным. В этом случае имеется несколько последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал. Турбина высокого давления (первая после камеры сгорания) всегда приводит компрессор двигателя, а последующие могут приводить как внешнюю нагрузку (винты вертолёта или корабля, мощные электрогенераторы и т. д.), так и дополнительные компрессоры самого двигателя, расположенные перед основным.
Преимущество многовального двигателя в том, что каждая турбина работает при оптимальном числе оборотов и нагрузке. При нагрузке, приводимой от вала одновального двигателя, была бы очень плоха приемистость двигателя, то есть способность к быстрой раскрутке, так как турбине требуется поставлять мощность и для обеспечения двигателя большим количеством воздуха (мощность ограничивается количеством воздуха), и для разгона нагрузки.
При двухвальной схеме легкий ротор высокого давления быстро выходит на режим, обеспечивая двигатель воздухом, а турбину низкого давления большим количеством газов для разгона. Также есть возможность использовать менее мощный стартер для разгона при пуске только ротора высокого давления.
Турбореактивный двигатель
Схема турбореактивного двигателя: 1 — входное устройство; 2 — осевой компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — рабочие лопатки турбины; 5 — сопло.
В полёте поток воздуха тормозится во входном устройстве перед компрессором, в результате чего его температура и давление повышается. На земле во входном устройстве воздух ускоряется, его температура и давление снижаются.
Проходя через компрессор, воздух сжимается, его давление повышается в 10—45 раз, возрастает его температура. Компрессоры газотурбинных двигателей делятся на осевые и центробежные. В наши дни в двигателях наиболее распространены многоступенчатые осевые компрессоры.
Центробежные компрессоры, как правило, применяются в малогабаритных силовых установках.
Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, в так называемые жаровые трубы, либо в кольцевую камеру сгорания, которая не состоит из отдельных труб, а является цельным кольцевым элементом. В наши дни кольцевые камеры сгорания являются наиболее распространёнными. Трубчатые камеры сгорания используются гораздо реже, в основном на военных самолётах. Воздух на входе в камеру сгорания разделяется на первичный, вторичный и третичный. Первичный воздух поступает в камеру сгорания через специальное окно в передней части, по центру которого расположен фланец крепления форсунки и участвует непосредственно в окислении (сгорании) топлива (формировании топливо-воздушной смеси). Вторичный воздух поступает в камеру сгорания сквозь отверстия в стенках жаровой трубы, охлаждая, придавая форму факелу и не участвуя в горении. Третичный воздух подаётся в камеру сгорания уже на выходе из неё, для выравнивания поля температур.
При работе двигателя в передней части жаровой трубы всегда вращается вихрь раскалённого газа (что обусловлено специальной формой передней части жаровой трубы), постоянно поджигающего формируемую топливовоздушную смесь, происходит сгорание топлива (керосина, газа), поступающего через форсунки в парообразном состоянии.
Газовоздушная смесь расширяется и часть её энергии преобразуется в турбине через рабочие лопатки в механическую энергию вращения основного вала. Эта энергия расходуется, в первую очередь, на работу компрессора, а также используется для привода агрегатов двигателя (топливных подкачивающих насосов, масляных насосов и т. п.) и привода электрогенераторов, обеспечивающих энергией различные бортовые системы.
Основная часть энергии расширяющейся газовоздушной смеси идёт на ускорение газового потока в сопле и создание реактивной тяги.
Чем выше температура сгорания, тем выше КПД двигателя. Для предупреждения разрушения деталей двигателя используют жаропрочные сплавы, оснащённые системами охлаждения, и термобарьерные покрытия.
Турбореактивный двигатель с форсажной камерой
Турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДФ) — модификация ТРД, применяемая в основном на сверхзвуковых самолётах. Между турбиной и соплом устанавливается дополнительная форсажная камера, в которой сжигается дополнительное горючее. В результате происходит увеличение тяги (форсаж) до 50%, но расход топлива резко возрастает. Двигатели с форсажной камерой, как правило, не используются в коммерческой авиации по причине их низкой экономичности.
| Поколение/ период | Т-ра газа перед турбиной °C | Степень сжатия газа, πк* | Характерные представители | Где установлены |
|---|---|---|---|---|
| 1 поколение 1943-1949 гг. | 730-780 | 3-6 | BMW 003, Jumo 004 | Me 262, Ar 234, He 162 |
| 2 поколение 1950-1960 гг. | 880-980 | 7-13 | J 79, Р11-300 | F-104, F4, МиГ-21 |
| 3 поколение 1960-1970 гг.  | 1030-1180 | 16-20 | TF 30, J 58, АЛ 21Ф | F-111, SR 71, МиГ-23Б, Су-24 |
| 4 поколение 1970-1980 гг. | 1200-1400 | 21-25 | F 100, F 110, F404, РД-33, АЛ-31Ф | F-15, F-16, МиГ-29, Су-27 |
| 5 поколение 2000-2020 гг. | 1500-1650 | 25-30 | F119-PW-100, EJ200, F414, АЛ-41Ф | F-22, F-35, ПАК ФА |
Начиная с 4-го поколения рабочие лопатки турбины выполняются из монокристаллических сплавов, охлаждаемые.
Турбовинтовой двигатель
Основная статья: Турбовинтовые двигатели
Схема турбовинтового двигателя: 1 — воздушный винт; 2 — редуктор; 3 — турбокомпрессор.
В турбовинтовом двигателе (ТВД) основное тяговое усилие обеспечивает воздушный винт, соединённый через редуктор с валом турбокомпрессора. Для этого используется турбина с увеличенным числом ступеней, так что расширение газа в турбине происходит почти полностью и только 10—15 % тяги обеспечивается за счёт газовой струи.
Турбовинтовые двигатели гораздо более экономичны на малых скоростях полёта и широко используются для самолётов, имеющих большую грузоподъёмность и дальность полёта. Крейсерская скорость самолётов, оснащённых ТВД, 600—800 км/ч.
Турбовальный двигатель
Турбовальный двигатель (ТВаД) — газотурбинный двигатель, у которого вся развиваемая мощность через выходной вал передается потребителю. Основная область применения — силовые установки вертолетов.
Двухконтурные двигатели
Дальнейшее повышение эффективности двигателей связано с появлением так называемого внешнего контура. Часть избыточной мощности турбины передаётся компрессору низкого давления на входе двигателя.
Двухконтурный турбореактивный двигатель
Схема турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) со смешением потоков: 1 — компрессор низкого давления; 2 — внутренний контур; 3 — выходной поток внутреннего контура; 4 — выходной поток внешнего контура.
В турбореактивном двухконтурном двигателе (ТРДД) воздушный поток попадает в компрессор низкого давления, после чего часть потока проходит по обычной схеме через турбокомпрессор, а остальная часть (холодная) проходит через внешний контур и выбрасывается без сгорания, создавая дополнительную тягу.
В результате снижается температура выходного газа, снижается расход топлива и уменьшается шум двигателя. Отношение количества воздуха, прошедшего через внешний контур, к количеству прошедшего через внутренний контур воздуха называется степенью двухконтурности (m). При степени двухконтурности <4 потоки контуров на выходе, как правило, смешиваются и выбрасываются через общее сопло, если m>4 — потоки выбрасываются раздельно, так как из-за значительной разности давлений и скоростей смешение затруднительно.
Двигатели с малой степенью двухконтурности (m<2) применяются для сверхзвуковых самолётов, двигатели с m>2 для дозвуковых пассажирских и транспортных самолётов.
Турбовентиляторный двигатель
Основная статья: Турбовентиляторный двигатель
Схема турбореактивного двухконтурного двигателя без смешения потоков (Турбовентиляторного двигателя): 1 — вентилятор; 2 — защитный обтекатель; 3 — турбокомпрессор; 4 — выходной поток внутреннего контура; 5 — выходной поток внешнего контура.
Турбовентиляторный реактивный двигатель (ТВРД) — это ТРДД со степенью двухконтурности m=2—10. Здесь компрессор низкого давления преобразуется в вентилятор, отличающийся от компрессора меньшим числом ступеней и большим диаметром, и горячая струя практически не смешивается с холодной.
Турбовинтовентиляторный двигатель
Дальнейшим развитием ТВРД с увеличением степени двухконтурности m=20—90 является турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД). В отличие от турбовинтового двигателя, лопасти двигателя ТВВД имеют саблевидную форму, что позволяет перенаправить часть воздушного потока в компрессор и повысить давление на входе компрессора. Такой двигатель получил название винтовентилятор и может быть как открытым, так и закапотированным кольцевым обтекателем. Второе отличие — винтовентилятор приводится от турбины не напрямую, как вентилятор, а через редуктор.
Вспомогательная силовая установка
Вспомогательная силовая установка (ВСУ) — небольшой газотурбинный двигатель, являющийся дополнительным источником мощности, например, для запуска маршевых двигателей самолетов.
ВСУ обеспечивает бортовые системы сжатым воздухом ( в том числе для вентиляции салона), электроэнергией и создает давление в гидросистеме летательного аппарата.
Судовые установки
Используются в судовой промышленности для снижения веса. GE LM2500 и LM6000 — две характерных модели этого типа машин.
Наземные двигательные установки
Другие модификации газотурбинных двигателей используются в качестве силовых установок на судах (газотурбоходы), железнодорожном (газотурбовозы) и другом наземном транспорте, а также на электростанциях, в том числе, передвижных, и для перекачки природного газа. Принцип работы практически не отличается от турбовинтовых двигателей.
Газовая турбина с замкнутым циклом
В газовой турбине с замкнутым циклом рабочий газ циркулирует без контакта с окружающей средой. Нагрев (перед турбиной) и охлаждение (перед компрессором) газа производится в теплообменниках. Такая система позволяет использовать любой источник тепла (например, газоохлаждаемый ядерный реактор).
Если в качестве источника тепла используется сгорание топлива, то такое устройство называют турбиной внешнего сгорания. На практике газовые турбины с замкнутым циклом используются редко.
Газовая турбина с внешним сгоранием
| В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. |
Большинство газовых турбин представляют собой двигатели внутреннего сгорания, но также возможно построить газовую турбину внешнего сгорания, которая, фактически, является турбинной версией теплового двигателя.[источник не указан 404 дня]
При внешнем сгорании в качестве топлива используется пылевидный уголь или мелкоистолченная биомасса (например, опилки). Внешнее сжигание газа используется как непосредственно, так и косвенно.
В прямой системе, продукты сгорания проходят сквозь турбину. В косвенной системе, используется теплообменник и чистый воздух проходит сквозь турбину. Тепловой КПД ниже в системе внешнего сгорания косвенного типа, однако лопасти не подвергаются воздействию продуктов сгорания.
Использование в наземных транспортных средствах
| В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. |
Rover JET1
STP Oil Treatment Special на выставке в зале славы музея трассы Indianapolis Motor Speedway показана вместе с газовой турбиной Pratt & Whitney.
A 1968 Howmet TX — единственная в истории турбина, принесшая победу в автомобильной гонке.
Газовые турбины используются в кораблях, локомотивах и танках. Множество экспериментов проводилось с автомобилями, оснащенными газовыми турбинами.
В 1950 году дизайнер Ф.Р. Белл и главный инженер Морис Вилкс в британской компании Rover Company анонсировал первый автомобиль с приводом от газотурбинного двигателя. Двухместный JET1 имел двигатель, расположенный позади сидений, решетки воздухозаборника по обеим сторонам машины, и выхлопные отверстия на верхней части хвоста. В ходе испытаний автомобиль достиг максимальной скорости 140 км/ч, на скорости турбины 50000 об/мин. Автомобиль работал на бензине, парафиновом или дизельном маслах, но проблемы с потреблением топлива оказались непреодолимыми для производства автомобилей. В настоящее время он выставлен в Лондоне в Музее Науки.
Команды Rover и British Racing Motors (BRM) (Формула-1) объединили усилия для создания Rover-BRM, авто, с приводом от газовых турбин, которое приняло участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1963 года, управляемое Грэмом Хиллом и Гитнером Ричи.
Оно имело среднюю скорость — 107,8 миль/ч (173 км/ч), а максимальную скорость — 142 миль/ч (229 км/ч). Американские компании Ray Heppenstall, Howmet Corporation и McKee Engineering объединились для совместной разработки собственных газотурбинных спортивных автомобилей в 1968 году, Howmet TX приняла участие в нескольких американских и европейских гонках, в том числе завоевав две победы, а также принимала участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1968 года. Автомобили использовали газовые турбины Continental Motors Company, благодаря которым, в конечном итоге, ФИА было установлено шесть посадочных скоростей для машин с приводом от турбин.
На гонках автомобилей с открытыми колёсами, революционное полноприводное авто 1967 года STP Oil Treatment Special с приводом от турбины, специально подобранной легендой гонок Эндрю Гранателли и управляемое Парнелли Джонсом, почти выиграло в гонке «Инди-500»; авто с турбиной STP компании Pratt & Whitney обгоняло почти на круг авто, шедшее вторым, когда у него неожиданно отказала коробка передач за три круга до финишной черты.
В 1971 глава компании Lotus Колин Чепмен представил авто Lotus 56B F1, с приводом от газовой турбины Pratt & Whitney. У Чепмена была репутация создателя машин-победителей, но он вынужден был отказаться от этого проекта из-за многочисленных проблем с инерционностью турбин (турболагом).
Оригинальная серия концептуальных авто General Motors Firebird была разработана для автовыставки Моторама 1953, 1956, 1959 годов, с приводом от газовых турбин.
Использование в танках
Первые исследования в области применения газовой турбины в танках проводились в Германии Управлением вооруженных сухопутных сил начиная с середины 1944 года. Первым массовым танком, на котором устанавливали газотурбинный двигатель стал С-танк. Газовые двигатели установлены в российском Т-80 и американском М1 Абрамс.
Газотурбинные двигатели, устанавливаемые в танках, имеют при схожих с дизельными размерами гораздо большую мощность, меньший вес и меньшую шумность. Однако из-за низкого КПД подобных двигателей требуется гораздо большее количество топлива для сравнимого с дизельным двигателем запаса хода.
Конструкторы газотурбинных двигателей
- Соловьёв, Павел Александрович
- Уиттл, Фрэнк
- Охайн, Ханс-Иоахим Пабст фон
- Колосов, Сергей Дмитриевич
- Кухто, Николай Кузьмич
- Климов, Владимир Яковлевич
- Кузнецов, Николай Дмитриевич (авиаконструктор)
- Люлька, Архип Михайлович
См. также
- Турбовинтовой двигатель
- Воздушно-реактивный двигатель
- Реактивный двигатель
Ссылки
- Газотурбинный двигатель — статья из Большой советской энциклопедии
- ГОСТ Р 51852-2001 Установки газотурбинные. Термины и определения.
- Словарь терминов на АвиаПорт. Ru
- Расчет газотурбинной установки
- Technology Speed of Civil Jet Engines
Газотурбинный двигатель | это… Что такое Газотурбинный двигатель?
Газотурбинный двигатель с одноступенчатым радиальным компрессором, турбиной, рекуператором, и воздушными подшипниками
Газотурбинный двигатель (ГТД) — тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины.
В отличие от поршневого двигателя, в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа.
Сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подаётся топливо, которое, сгорая, образует большое количество продуктов сгорания под высоким давлением. Затем в газовой турбине энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения струёй газа лопаток, часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передаётся на приводимый агрегат. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТД. Газотурбинные двигатели имеют самую большую удельную мощность среди ДВС, до 6 кВт/кг.
В качестве топлива могут использоваться любое горючее, которое можно диспергировать: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, природный газ, судовое топливо, водяной газ, спирт и измельченный уголь.
Содержание
|
1 Турбореактивный двигатель с форсажной камеройОсновные принципы работы
| В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. |
Как и во всех циклических тепловых двигателях, чем выше температура сгорания, тем выше КПД. Сдерживающим фактором является способность стали, никеля, керамики или других материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать температуру и давление. Значительная часть инженерных разработок направлена на то, чтобы отводить тепло от частей турбины. Большинство турбин также пытаются рекуперировать тепло выхлопных газов, которое, в противном случае, теряется впустую. Рекуператоры — это теплообменники, которые передают тепло выхлопных газов сжатому воздуху перед сгоранием. При комбинированном цикле тепло передается системам паровых турбин. И при комбинированном производстве тепла и электроэнергии (когенерация) отработанное тепло используется для производства горячей воды.
Как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток.
[источник не указан 404 дня] Максимальная скорость турбинных лопаток определяет максимальное давление, которое может быть достигнуто, что приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера двигателя. Реактивный двигатель вращается с частотой около 10000 об/мин и микро-турбина — с частотой около 100000 об/мин.[источник не указан 404 дня]
Авиационные двигатели также часто используются для генерации электрической мощности, благодаря их способности запускаться, останавливаться и изменять нагрузку быстрее, чем промышленные машины.[источник не указан 404 дня]
Типы газотурбинных двигателей
Схема турбореактивного двигателя
Воздушно-реактивный двигатель — газовый двигатель, оптимизированный для получения тяги от выхлопных газов или от туннельного вентилятора, присоединенного к газовой турбине.[источник не указан 404 дня]Реактивные двигатели, которые производят тягу, главным образом, от прямого импульса выхлопных газов, часто называются турбореактивными, в то время, как те, которые создают тягу от туннельного вентилятора, часто называются турбовентиляторными.
[источник не указан 404 дня]
Одновальные и многовальные двигатели
Простейший газотурбинный двигатель имеет только одну турбину, которая приводит компрессор и одновременно является источником полезной мощности. Это накладывает ограничение на режимы работы двигателя.
Иногда двигатель выполняется многовальным. В этом случае имеется несколько последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал. Турбина высокого давления (первая после камеры сгорания) всегда приводит компрессор двигателя, а последующие могут приводить как внешнюю нагрузку (винты вертолёта или корабля, мощные электрогенераторы и т. д.), так и дополнительные компрессоры самого двигателя, расположенные перед основным.
Преимущество многовального двигателя в том, что каждая турбина работает при оптимальном числе оборотов и нагрузке. При нагрузке, приводимой от вала одновального двигателя, была бы очень плоха приемистость двигателя, то есть способность к быстрой раскрутке, так как турбине требуется поставлять мощность и для обеспечения двигателя большим количеством воздуха (мощность ограничивается количеством воздуха), и для разгона нагрузки.
При двухвальной схеме легкий ротор высокого давления быстро выходит на режим, обеспечивая двигатель воздухом, а турбину низкого давления большим количеством газов для разгона. Также есть возможность использовать менее мощный стартер для разгона при пуске только ротора высокого давления.
Турбореактивный двигатель
Схема турбореактивного двигателя: 1 — входное устройство; 2 — осевой компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — рабочие лопатки турбины; 5 — сопло.
В полёте поток воздуха тормозится во входном устройстве перед компрессором, в результате чего его температура и давление повышается. На земле во входном устройстве воздух ускоряется, его температура и давление снижаются.
Проходя через компрессор, воздух сжимается, его давление повышается в 10—45 раз, возрастает его температура. Компрессоры газотурбинных двигателей делятся на осевые и центробежные. В наши дни в двигателях наиболее распространены многоступенчатые осевые компрессоры.
Центробежные компрессоры, как правило, применяются в малогабаритных силовых установках.
Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, в так называемые жаровые трубы, либо в кольцевую камеру сгорания, которая не состоит из отдельных труб, а является цельным кольцевым элементом. В наши дни кольцевые камеры сгорания являются наиболее распространёнными. Трубчатые камеры сгорания используются гораздо реже, в основном на военных самолётах. Воздух на входе в камеру сгорания разделяется на первичный, вторичный и третичный. Первичный воздух поступает в камеру сгорания через специальное окно в передней части, по центру которого расположен фланец крепления форсунки и участвует непосредственно в окислении (сгорании) топлива (формировании топливо-воздушной смеси). Вторичный воздух поступает в камеру сгорания сквозь отверстия в стенках жаровой трубы, охлаждая, придавая форму факелу и не участвуя в горении. Третичный воздух подаётся в камеру сгорания уже на выходе из неё, для выравнивания поля температур.
При работе двигателя в передней части жаровой трубы всегда вращается вихрь раскалённого газа (что обусловлено специальной формой передней части жаровой трубы), постоянно поджигающего формируемую топливовоздушную смесь, происходит сгорание топлива (керосина, газа), поступающего через форсунки в парообразном состоянии.
Газовоздушная смесь расширяется и часть её энергии преобразуется в турбине через рабочие лопатки в механическую энергию вращения основного вала. Эта энергия расходуется, в первую очередь, на работу компрессора, а также используется для привода агрегатов двигателя (топливных подкачивающих насосов, масляных насосов и т. п.) и привода электрогенераторов, обеспечивающих энергией различные бортовые системы.
Основная часть энергии расширяющейся газовоздушной смеси идёт на ускорение газового потока в сопле и создание реактивной тяги.
Чем выше температура сгорания, тем выше КПД двигателя. Для предупреждения разрушения деталей двигателя используют жаропрочные сплавы, оснащённые системами охлаждения, и термобарьерные покрытия.
Турбореактивный двигатель с форсажной камерой
Турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДФ) — модификация ТРД, применяемая в основном на сверхзвуковых самолётах. Между турбиной и соплом устанавливается дополнительная форсажная камера, в которой сжигается дополнительное горючее. В результате происходит увеличение тяги (форсаж) до 50%, но расход топлива резко возрастает. Двигатели с форсажной камерой, как правило, не используются в коммерческой авиации по причине их низкой экономичности.
| Поколение/ период | Т-ра газа перед турбиной °C | Степень сжатия газа, πк* | Характерные представители | Где установлены |
|---|---|---|---|---|
| 1 поколение 1943-1949 гг. | 730-780 | 3-6 | BMW 003, Jumo 004 | Me 262, Ar 234, He 162 |
| 2 поколение 1950-1960 гг. | 880-980 | 7-13 | J 79, Р11-300 | F-104, F4, МиГ-21 |
| 3 поколение 1960-1970 гг.  | 1030-1180 | 16-20 | TF 30, J 58, АЛ 21Ф | F-111, SR 71, МиГ-23Б, Су-24 |
| 4 поколение 1970-1980 гг. | 1200-1400 | 21-25 | F 100, F 110, F404, РД-33, АЛ-31Ф | F-15, F-16, МиГ-29, Су-27 |
| 5 поколение 2000-2020 гг. | 1500-1650 | 25-30 | F119-PW-100, EJ200, F414, АЛ-41Ф | F-22, F-35, ПАК ФА |
Начиная с 4-го поколения рабочие лопатки турбины выполняются из монокристаллических сплавов, охлаждаемые.
Турбовинтовой двигатель
Основная статья: Турбовинтовые двигатели
Схема турбовинтового двигателя: 1 — воздушный винт; 2 — редуктор; 3 — турбокомпрессор.
В турбовинтовом двигателе (ТВД) основное тяговое усилие обеспечивает воздушный винт, соединённый через редуктор с валом турбокомпрессора. Для этого используется турбина с увеличенным числом ступеней, так что расширение газа в турбине происходит почти полностью и только 10—15 % тяги обеспечивается за счёт газовой струи.
Турбовинтовые двигатели гораздо более экономичны на малых скоростях полёта и широко используются для самолётов, имеющих большую грузоподъёмность и дальность полёта. Крейсерская скорость самолётов, оснащённых ТВД, 600—800 км/ч.
Турбовальный двигатель
Турбовальный двигатель (ТВаД) — газотурбинный двигатель, у которого вся развиваемая мощность через выходной вал передается потребителю. Основная область применения — силовые установки вертолетов.
Двухконтурные двигатели
Дальнейшее повышение эффективности двигателей связано с появлением так называемого внешнего контура. Часть избыточной мощности турбины передаётся компрессору низкого давления на входе двигателя.
Двухконтурный турбореактивный двигатель
Схема турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) со смешением потоков: 1 — компрессор низкого давления; 2 — внутренний контур; 3 — выходной поток внутреннего контура; 4 — выходной поток внешнего контура.
В турбореактивном двухконтурном двигателе (ТРДД) воздушный поток попадает в компрессор низкого давления, после чего часть потока проходит по обычной схеме через турбокомпрессор, а остальная часть (холодная) проходит через внешний контур и выбрасывается без сгорания, создавая дополнительную тягу.
В результате снижается температура выходного газа, снижается расход топлива и уменьшается шум двигателя. Отношение количества воздуха, прошедшего через внешний контур, к количеству прошедшего через внутренний контур воздуха называется степенью двухконтурности (m). При степени двухконтурности <4 потоки контуров на выходе, как правило, смешиваются и выбрасываются через общее сопло, если m>4 — потоки выбрасываются раздельно, так как из-за значительной разности давлений и скоростей смешение затруднительно.
Двигатели с малой степенью двухконтурности (m<2) применяются для сверхзвуковых самолётов, двигатели с m>2 для дозвуковых пассажирских и транспортных самолётов.
Турбовентиляторный двигатель
Основная статья: Турбовентиляторный двигатель
Схема турбореактивного двухконтурного двигателя без смешения потоков (Турбовентиляторного двигателя): 1 — вентилятор; 2 — защитный обтекатель; 3 — турбокомпрессор; 4 — выходной поток внутреннего контура; 5 — выходной поток внешнего контура.
Турбовентиляторный реактивный двигатель (ТВРД) — это ТРДД со степенью двухконтурности m=2—10. Здесь компрессор низкого давления преобразуется в вентилятор, отличающийся от компрессора меньшим числом ступеней и большим диаметром, и горячая струя практически не смешивается с холодной.
Турбовинтовентиляторный двигатель
Дальнейшим развитием ТВРД с увеличением степени двухконтурности m=20—90 является турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД). В отличие от турбовинтового двигателя, лопасти двигателя ТВВД имеют саблевидную форму, что позволяет перенаправить часть воздушного потока в компрессор и повысить давление на входе компрессора. Такой двигатель получил название винтовентилятор и может быть как открытым, так и закапотированным кольцевым обтекателем. Второе отличие — винтовентилятор приводится от турбины не напрямую, как вентилятор, а через редуктор.
Вспомогательная силовая установка
Вспомогательная силовая установка (ВСУ) — небольшой газотурбинный двигатель, являющийся дополнительным источником мощности, например, для запуска маршевых двигателей самолетов.
ВСУ обеспечивает бортовые системы сжатым воздухом ( в том числе для вентиляции салона), электроэнергией и создает давление в гидросистеме летательного аппарата.
Судовые установки
Используются в судовой промышленности для снижения веса. GE LM2500 и LM6000 — две характерных модели этого типа машин.
Наземные двигательные установки
Другие модификации газотурбинных двигателей используются в качестве силовых установок на судах (газотурбоходы), железнодорожном (газотурбовозы) и другом наземном транспорте, а также на электростанциях, в том числе, передвижных, и для перекачки природного газа. Принцип работы практически не отличается от турбовинтовых двигателей.
Газовая турбина с замкнутым циклом
В газовой турбине с замкнутым циклом рабочий газ циркулирует без контакта с окружающей средой. Нагрев (перед турбиной) и охлаждение (перед компрессором) газа производится в теплообменниках. Такая система позволяет использовать любой источник тепла (например, газоохлаждаемый ядерный реактор).
Если в качестве источника тепла используется сгорание топлива, то такое устройство называют турбиной внешнего сгорания. На практике газовые турбины с замкнутым циклом используются редко.
Газовая турбина с внешним сгоранием
| В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. |
Большинство газовых турбин представляют собой двигатели внутреннего сгорания, но также возможно построить газовую турбину внешнего сгорания, которая, фактически, является турбинной версией теплового двигателя.[источник не указан 404 дня]
При внешнем сгорании в качестве топлива используется пылевидный уголь или мелкоистолченная биомасса (например, опилки). Внешнее сжигание газа используется как непосредственно, так и косвенно.
В прямой системе, продукты сгорания проходят сквозь турбину. В косвенной системе, используется теплообменник и чистый воздух проходит сквозь турбину. Тепловой КПД ниже в системе внешнего сгорания косвенного типа, однако лопасти не подвергаются воздействию продуктов сгорания.
Использование в наземных транспортных средствах
| В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. |
Rover JET1
STP Oil Treatment Special на выставке в зале славы музея трассы Indianapolis Motor Speedway показана вместе с газовой турбиной Pratt & Whitney.
A 1968 Howmet TX — единственная в истории турбина, принесшая победу в автомобильной гонке.
Газовые турбины используются в кораблях, локомотивах и танках. Множество экспериментов проводилось с автомобилями, оснащенными газовыми турбинами.
В 1950 году дизайнер Ф.Р. Белл и главный инженер Морис Вилкс в британской компании Rover Company анонсировал первый автомобиль с приводом от газотурбинного двигателя. Двухместный JET1 имел двигатель, расположенный позади сидений, решетки воздухозаборника по обеим сторонам машины, и выхлопные отверстия на верхней части хвоста. В ходе испытаний автомобиль достиг максимальной скорости 140 км/ч, на скорости турбины 50000 об/мин. Автомобиль работал на бензине, парафиновом или дизельном маслах, но проблемы с потреблением топлива оказались непреодолимыми для производства автомобилей. В настоящее время он выставлен в Лондоне в Музее Науки.
Команды Rover и British Racing Motors (BRM) (Формула-1) объединили усилия для создания Rover-BRM, авто, с приводом от газовых турбин, которое приняло участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1963 года, управляемое Грэмом Хиллом и Гитнером Ричи.
Оно имело среднюю скорость — 107,8 миль/ч (173 км/ч), а максимальную скорость — 142 миль/ч (229 км/ч). Американские компании Ray Heppenstall, Howmet Corporation и McKee Engineering объединились для совместной разработки собственных газотурбинных спортивных автомобилей в 1968 году, Howmet TX приняла участие в нескольких американских и европейских гонках, в том числе завоевав две победы, а также принимала участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1968 года. Автомобили использовали газовые турбины Continental Motors Company, благодаря которым, в конечном итоге, ФИА было установлено шесть посадочных скоростей для машин с приводом от турбин.
На гонках автомобилей с открытыми колёсами, революционное полноприводное авто 1967 года STP Oil Treatment Special с приводом от турбины, специально подобранной легендой гонок Эндрю Гранателли и управляемое Парнелли Джонсом, почти выиграло в гонке «Инди-500»; авто с турбиной STP компании Pratt & Whitney обгоняло почти на круг авто, шедшее вторым, когда у него неожиданно отказала коробка передач за три круга до финишной черты.:quality(80)/images.vogel.de/vogelonline/bdb/846700/846721/original.jpg)
В 1971 глава компании Lotus Колин Чепмен представил авто Lotus 56B F1, с приводом от газовой турбины Pratt & Whitney. У Чепмена была репутация создателя машин-победителей, но он вынужден был отказаться от этого проекта из-за многочисленных проблем с инерционностью турбин (турболагом).
Оригинальная серия концептуальных авто General Motors Firebird была разработана для автовыставки Моторама 1953, 1956, 1959 годов, с приводом от газовых турбин.
Использование в танках
Первые исследования в области применения газовой турбины в танках проводились в Германии Управлением вооруженных сухопутных сил начиная с середины 1944 года. Первым массовым танком, на котором устанавливали газотурбинный двигатель стал С-танк. Газовые двигатели установлены в российском Т-80 и американском М1 Абрамс.
Газотурбинные двигатели, устанавливаемые в танках, имеют при схожих с дизельными размерами гораздо большую мощность, меньший вес и меньшую шумность. Однако из-за низкого КПД подобных двигателей требуется гораздо большее количество топлива для сравнимого с дизельным двигателем запаса хода.
Конструкторы газотурбинных двигателей
- Соловьёв, Павел Александрович
- Уиттл, Фрэнк
- Охайн, Ханс-Иоахим Пабст фон
- Колосов, Сергей Дмитриевич
- Кухто, Николай Кузьмич
- Климов, Владимир Яковлевич
- Кузнецов, Николай Дмитриевич (авиаконструктор)
- Люлька, Архип Михайлович
См. также
- Турбовинтовой двигатель
- Воздушно-реактивный двигатель
- Реактивный двигатель
Ссылки
- Газотурбинный двигатель — статья из Большой советской энциклопедии
- ГОСТ Р 51852-2001 Установки газотурбинные. Термины и определения.
- Словарь терминов на АвиаПорт. Ru
- Расчет газотурбинной установки
- Technology Speed of Civil Jet Engines
Что такое газотурбинные двигатели, почему они не прижились в обычных машинах и как их будут использовать в гибридах
На проходящем в Женеве автосалоне сразу два автопроизводителя представили концептуальные машины с гибридными силовыми установками, в которых батареи заряжаются миниатюрными газотурбинными двигателями.
Обе машины, к слову, китайские. Это седан Hybrid Kinetic H600 с элегантным дизайном от Pininfarina и суперкар Techrules Ren с футуристичной внешностью работы Джорджетто Джуджаро.
Не надо думать, что в данном техническом направлении трудятся лишь китайцы. Несколько лет назад никто иной как Jaguar показал гибридный концепт C-X75 с теми же микротурбинами. Так что же это за технология?
Газотурбинные двигатели впервые нашли серийное применение в конце Второй мировой войны, но… в авиации, на немецких истребителях Messerschmitt. В последующие 20 лет они фактически полностью вытеснили поршневые ДВС в военной и гражданской авиации, в прямом смысле спустив их с небес на землю. Моторы отечественных Ту и Superjet, европейских Airbus и американских Boeing — все это газотурбинные двигатели.
Их принцип действия прост. В камере сгорания воспламеняется топливо, газы под давлением подаются на лопасти турбины, турбина вращается. На одном валу с турбиной расположены лопасти компрессора, который, будучи приводим в движение от турбины, нагнетает воздух в камеру сгорания.
Газотурбинный двигатель
В авиации на том же валу спереди может располагаться винт (как, например, на самолетах Ан-24), а может более мощный компрессор, который прогоняет воздух через весь двигатель, создавая воздушную струю и тягу для самолета. При этом к валу газотурбинного двигателя можно прицепить не только винт или тяговый компрессор, но и что-то другое. Например, электрогенератор или коробку передач, а через нее соединить такой мотор с колесами автомобиля.
Как видите, все выглядит гораздо проще, чем в поршневом ДВС. Так и есть — проще. Меньше деталей, меньше трущихся частей — это одно из преимуществ газотурбинных двигателей. Второе неоспоримое преимущество — это высокая удельная мощность. Иными словами при равной отдаче газотурбинные моторы в несколько раз легче и компактнее поршневых. Именно этот факт определил их доминирование в авиастроении.
Есть, однако, и существенные недостатки. Именно с ними столкнулись автомобильные конструкторы при попытке установить такой мотор под капот автомобиля.
Попыток было много: в США, в Европе и даже в СССР — наши инженеры, в частности, экспериментировали с автобусами.
Выяснилось, что такой мотор потребляет очень много топлива в переходных режимах: на холостом ходу и при наборе скорости. Конструкцию попытались усложнить, применив не один вал, а два: на первом располагался компрессор и малая турбина, которой хватало для вращения компрессора и обеспечения холостого хода. А на втором — основная турбина и отбор мощности на автоматическую коробку передач. На холостом ходу газы на вторую турбину не подавались. А при старте с места открывались заслонки, поток газа направлялся на лопасти тяговой турбины и машина ехала. Такая конструкция, к слову, позволила отказаться от механизма сцепления или гидротрансформатора — поскольку два вала не имели механической связи друг с другом автомобиль не мог заглохнуть.
Techrules Ren
Тем ни менее, расход топлива все равно был выше, чем у поршневых двигателей во всех режимах кроме равномерного движения по трассе.
Всплыли и другие недостатки, но о них — позже.
Так или иначе, где-то с 70-х годов XX века от идеи отказались. До тех пор, пока не началась нынешняя гибридно-электрическая революция.
Дело было в далеком 2011 году. Компания Opel тогда пригласила журналистов из России в Нидерланды на тест-драйв подзаряжаемого гибрида Ampera (он же Chevrolet Volt), который в General Motors почему-то называли электрокаром.
После поездки у журналистов, в том числе у меня, накопилось много вопросов относительно устройства машины. Отвечать на них пришлось тогдашнему главе электрического подразделения Opel Кристиану Кунстману. Меня интересовало в частности, почему конструкторы выбрали в качестве ДВС для гибрида наиболее архаичный и неэффективный бензиновый атмосферный мотор объемом 1,4 литра.
Jaguar C-X75
Поскольку концепт Jaguar C-X75 тогда уже представили, я спросил у доктора Кунстмана, что он думает насчет того, чтобы установить под капот Opel Ampera микротурбину вместо поршневого ДВС.
Ответ меня удивил.
«Это был бы лучший вариант», — признался инженер. «Однако главная проблема заключается в том, что у нас нет таких двигателей. Для их производства пришлось бы полностью перестроить все заводы. Это огромные инвестиции. Но если бы нам пришлось строить моторный завод с нуля, то мы бы крепко задумались над тем, какие двигатели для гибридов там выпускать — поршневые или газотурбинные».
Действительно, если микротурбина не связана ни с колесами, ни с коробкой передач, а лишь вращает генератор, работая в режиме постоянной тяги — значит все проблемы с высоким расходом топлива в переходных режимах отпадают сами собой? Все так. Вот почему китайцы, у которых в отличие от Opel нет заводов поршневых двигателей, и строить предстоит с нуля, сейчас уцепились за эту идею. Увы, расход топлива — не единственный недостаток.
Первый нерешенный минус газотурбинного двигателя — очень высокая температура газов, попадающих на лопасти турбины. В авиации с этим борются за счет использования дорогих термостойких сплавов, но в массовом автомобилестроении это не применимо из-за высокой стоимости.
Hybrid Kinetic H600
Решить проблему еще в 50-е годы пытались за счет теплообменников, которые нагревают входящий воздух и охлаждают газы, выходящие из камеры сгорания. Это повышает КПД и бережет турбину, но заметно усложняет конструкцию двигателя. И китайцам надо иметь это в виду.
Есть и другие сложности. В частности, газотурбинным моторам надо значительно больше воздуха, чем поршневым двигателям. Причем воздуха чистого. У самолетов нет с этим проблем. А у машин — есть. Необходимые воздушные фильтры достигают такого размера, что преимущество микротурбин компактности полностью сводится на нет.
Вы, возможно, в курсе, что газотурбинные моторы пробовали применять на серийных танках: советском Т80 и американском «Абрамсе». Военных привлекло сочетание мощности и компактности мотора. Увы, простые танкисты жаловались на необходимость постоянно чистить огромные воздушные фильтры. И на колоссальный расход топлива — тоже.
Наконец, последний недостаток — токсичность.
Опять же, это следствие повышенного расхода топлива в промежуточных режимах. Создатели концептов Techrules и особенно Hybrid Kinetic H600 уверяют, что их микротурбины экологичнее поршневых ДВС. Но точных данных пока не приводят.
В любом случае, все показанные гибридные автомобили, использующие подобную технологию — пока лишь концепты и их серийное будущее покрыто туманом. Но согласитесь, звучит заманчиво!
Газотурбинный двигатель самолета. Фото. Строение. Характеристики.
На сегодняшний день, авиация практически на 100% состоит из машин, которые используют газотурбинный тип силовой установки. Иначе говоря – газотурбинные двигатели. Однако, несмотря на всю возрастающую популярность авиаперелетов сейчас, мало кто знает каким образом работает тот жужжащий и свистящий контейнер, который висит под крылом того или иного авиалайнера.
Принцип работы газотурбинного двигателя.
Газотурбинный двигатель, как и поршневой двигатель на любом автомобиле, относится к двигателям внутреннего сгорания.
Они оба преобразуют химическую энергию топлива в тепловую, путем сжигания, а после — в полезную, механическую. Однако то, как это происходит, несколько отличается. В обоих двигателях происходит 4 основных процесса – это: забор, сжатие, расширение, выхлоп. Т.е. в любом случае в двигатель сначала входит воздух (с атмосферы) и топливо (из баков), далее воздух сжимается и в него впрыскивается топливо, после чего смесь воспламеняется, из-за чего значительно расширяется, и в итоге выбрасывается в атмосферу. Из всех этих действий выдает энергию лишь расширение, все остальные необходимы для обеспечения этого действия.
А теперь в чем разница. В газотурбинных двигателях все эти процессы происходят постоянно и одновременно, но в разных частях двигателя, а в поршневом – в одном месте, но в разный момент времени и по очереди. К тому же, чем более сжат воздух, тем большую энергию можно получить при сгорании, а на сегодняшний день степень сжатия газотурбинных двигателей уже достигла 35-40:1, т.
е. в процессе прохода через двигатель воздух уменьшается в объеме, а соответственно увеличивает свое давление в 35-40 раз. Для сравнения в поршневых двигателях этот показатель не превышает 8-9:1, в самых современных и совершенных образцах. Соответственно имея равный вес и размеры газотурбинный двигатель гораздо более мощный, да и коэффициент полезного действия у него выше. Именно этим и обусловлено такое широкое применения газотурбинных двигателей в авиации в наши дни.
А теперь подробней о конструкции. Четыре вышеперечисленных процесса происходят в двигателе, который изображен на упрощенной схеме под номерами:
- забор воздуха – 1 (воздухозаборник)
- сжатие – 2 (компрессор)
- смешивание и воспламенение – 3 (камера сгорания)
- выхлоп – 5 (выхлопное сопло)
- Загадочная секция под номером 4 называется турбиной. Это неотъемлемая часть любого газотурбинного двигателя, ее предназначение – получение энергии от газов, которые выходят после камеры сгорания на огромных скоростях, и находится она на одном валу с компрессором (2), который и приводит в действие.
Таким образом получается замкнутый цикл. Воздух входит в двигатель, сжимается, смешивается с горючим, воспламеняется, направляется на лопатки турбины, которые снимают до 80% мощности газов для вращения компрессора, все что осталось и обуславливает итоговую мощность двигателя, которая может быть использована разными способами.
В зависимости от способа дальнейшего использования этой энергии газотурбинные двигатели подразделяются на:
- турбореактивные
- турбовинтовые
- турбовентиляторные
- турбовальные
Двигатель, изображенный на схеме выше, является турбореактивным. Можно сказать «чистым» газотурбинным, ведь газы после прохождения турбины, которая вращает компрессор, выходят из двигателя через выхлопное сопло на огромной скорости и таким образом толкают самолет вперед. Такие двигатели сейчас используются в основном на высокоскоростных боевых самолетах.
Турбовинтовые двигатели отличаются от турбореактивных тем, что имеют дополнительную секцию турбины, которая еще называется турбиной низкого давления, состоящую из одного или нескольких рядов лопаток, которые отбирают оставшуюся после турбины компрессора энергию у газов и таким образом вращает воздушный винт, который может находится как спереди так и сзади двигателя.
После второй секции турбины, отработанные газы выходят фактически уже самотеком, не имея практически никакой энергии, поэтому для их вывода используются просто выхлопные трубы. Подобные двигатели используются на низкоскоростных, маловысотных самолетах.
Турбовентиляторные двигатели имеют схожую схему с турбовинтовыми, только вторая секция турбины отбирает не всю энергию у выходящих газов, поэтому такие двигатели также имеют выхлопное сопло. Но основное отличие состоит в том, что турбина низкого давления приводит в действия вентилятор, который закрыт в кожух. Потому такой двигатель еще называется двуконтурным, ведь воздух проходит через внутренний контур (сам двигатель) и внешний, который необходим лишь для направления воздушной струи, которая толкает двигатель вперед. Потому они и имеют довольно «пухлую» форму. Именно такие двигатели применяются на большинстве современных авиалайнеров, поскольку являются наиболее экономичными на скоростях, приближающихся к скорости звука и эффективными при полетах на высотах выше 7000-8000м и вплоть до 12000-13000м.
Турбовальные двигатели практически идентичны по конструкции с турбовинтовыми, за исключением того, что вал, который соединен с турбиной низкого давления, выходит из двигателя и может приводить в действие абсолютно что угодно. Такие двигатели используются в вертолетах, где два-три двигателя приводят в действие единственный несущий винт и компенсирующий хвостовой пропеллер. Подобные силовые установки сейчас имеют даже танки – Т-80 и американский «Абрамс».
Газотурбинные двигатели имеют классификацию также по другим признакам:
- по типу входного устройства (регулируемое, нерегулируемое)
- по типу компрессора (осевой, центробежный, осецентробежный)
- по типу воздушно-газового тракта (прямоточный, петлевой)
- по типу турбин (число ступеней, число роторов и др.)
- по типу реактивного сопла (регулируемое, нерегулируемое) и др.
Турбореактивный двигатель с осевым компрессором получил широкое применение.
При работающем двигателе идет непрерывный процесс. Воздух проходит через диффузор, притормаживается и попадает в компрессор. Затем он поступает в камеру сгорания. В камеру через форсунки подается также топливо, смесь сжигается, продукты сгорания перемещаются через турбину. Продукты сгорания в лопатках турбины расширяются и приводят ее во вращение. Далее газы из турбины с уменьшенным давлением поступают в реактивное сопло и с огромной скоростью вырываются наружу, создавая тягу. Максимальная температура имеет место и на воде камеры сгорания.
Компрессор и турбина расположены на одном валу. Для охлаждения продуктов сгорания подается холодный воздух. В современных реактивных двигателях рабочая температура может превышать температуру плавления сплавов рабочих лопаток примерно на 1000 °С. Система охлаждения деталей турбины и выбор жаропрочных и жаростойких деталей двигателя — одни из главных проблем при конструировании реактивных двигателей всех типов, в том числе и турбореактивных.
Особенностью турбореактивных двигателей с центробежным компрессором является конструкция компрессоров.
Принцип работы подобных двигателей аналогичен двигателям с осевым компрессором.
Газотурбинный двигатель. Видео.
Полезные статьи по теме.
- Сбор и обработка информации в системах газотурбинных двигателей
- Разработка ГТД, история
- Надежность САУ и ГТД
- Методы управления ГТД
- Управление на режимах работы ГТД
- Характеристика запаса ГДУ ВЗ
- Инвариантная система управления ГТД
- Выбор характеристик канала ГТД
- Регулирование температуры газа в ГТД
- Устойчивость и динамическая точность устройства ГТД
- Повышение надежности ГТД
- Формирование управляющих сигналов ГТД
- Этап конструирования ГТД современность
- Двухканальное построение цифровых систем ГТД
- Гидромеханические регуляторы ГТД
- Регулятор частоты вращения ГТД
- Системы управления на элементах струйной техники ГТД
- Струйный регулятор компрессора ГТД
- Что СТП должна обеспечивать (ГТД)
- Центробежные насосы (ГТД)
- Топливопитание двигателя с ФКС
- Производительность НВД
- Качество топлива в СТП
- Системы ГТД для «электрического» самолета
- «Электрический» ГТД
- Функции САУ ЭГТД
- Методы обеспечения надежности электроприводной СТП
- Подача масла (Газотурбинный двигатель)
- Системы управления ТРДЦ. Надежность САУ
- Системы управления ТРДЦФ
- Каналы регулирования в ГТД
- Шестеренный насос НВД
- Варианты построения САУ
- Системы управления вертолетными двигателями
- Функции современных САУ ТВГТД
- Системы управления ВГТД
- Двухвальный ВГТД
- Вспомогательный ГТД
- Системы управления сверхзвуковыми воздухозаборниками
- Перемещение клина СВЗ
- Системы защиты двигателя от помпажа
- Математическое моделирование газотурбинного двигателя
- Динамическая поузловая математическая модель двигателя
- Проведение стендовых испытаний ГТД
- Характеристики топливной системы ГТД. Регуляторы двигателя.
- Испытания САУ на двигательных стендах
- Проверка выполнения функций САУ
- Испытания электронных регуляторов САУ ГТД
- Испытания электронных систем ГТД
- Воздействие влажности на ГТД
- Частотные входы у ГТД
- Метрологические характеристики ИК
Надежность САУ
Ещё узлы и агрегаты
газотурбинный двигатель | Британика
Заголовок
Просмотреть все СМИ
- Связанные темы:
- коптильня Цикл Брайтона газотурбинный двигатель открытого цикла двигатель с регулируемым циклом пожарная турбина
См.
всю соответствующую информацию →
газотурбинный двигатель , любой двигатель внутреннего сгорания, использующий газ в качестве рабочего тела, используемого для вращения турбины. Этот термин также обычно используется для описания полного двигателя внутреннего сгорания, состоящего как минимум из компрессора, камеры сгорания и турбины.
Общие характеристики
Полезную работу или тягу можно получить от газотурбинного двигателя. Он может приводить в действие генератор, насос или воздушный винт или, в случае чисто реактивного авиационного двигателя, развивать тягу за счет ускорения потока выхлопных газов турбины через сопло. Большое количество энергии может быть произведено таким двигателем, который при той же мощности намного меньше и легче, чем поршневой двигатель внутреннего сгорания. Поршневые двигатели зависят от движения поршня вверх и вниз, которое затем должно быть преобразовано во вращательное движение с помощью коленчатого вала, тогда как газовая турбина напрямую передает мощность вращения вала.
Хотя концептуально газотурбинный двигатель представляет собой простое устройство, компоненты эффективной установки должны быть тщательно спроектированы и изготовлены из дорогостоящих материалов из-за высоких температур и напряжений, возникающих в процессе эксплуатации. Таким образом, установки газотурбинных двигателей обычно ограничиваются крупными установками, где они становятся рентабельными.
Циклы газотурбинного двигателя
Большинство газовых турбин работают по открытому циклу, в котором воздух забирается из атмосферы, сжимается в центробежном или осевом компрессоре и затем подается в камеру сгорания. Здесь топливо добавляется и сжигается при практически постоянном давлении с частью воздуха. Дополнительный сжатый воздух, который проходит вокруг секции горения, а затем смешивается с очень горячими дымовыми газами, требуется для поддержания достаточно низкой температуры на выходе из камеры сгорания (фактически на входе в турбину), чтобы турбина могла работать непрерывно.
Если блок должен производить мощность на валу, продукты сгорания (в основном воздух) расширяются в турбине до атмосферного давления. Большая часть мощности турбины требуется для работы компрессора; только остаток доступен для подачи работы вала к генератору, насосу или другому устройству. В реактивном двигателе турбина спроектирована так, чтобы обеспечить мощность, достаточную для привода компрессора и вспомогательных устройств. Затем поток газа выходит из турбины при промежуточном давлении (выше местного атмосферного давления) и подается через сопло для создания тяги.
Сначала рассматривается идеализированный газотурбинный двигатель, работающий без потерь по этому простому циклу Брайтона. Если, например, воздух поступает в компрессор при температуре 15 ° C и атмосферном давлении и сжимается до одного мегапаскаля, он затем поглощает тепло от топлива при постоянном давлении до тех пор, пока температура не достигнет 1100 ° C, прежде чем расширяться через турбину обратно в атмосферное.
давление. Для этого идеализированного устройства потребуется мощность турбины 1,68 киловатта на каждый киловатт полезной мощности, при этом 0,68 киловатта поглощается для привода компрессора. Тепловой КПД агрегата (чистая произведенная работа, деленная на энергию, добавленную за счет топлива) составит 48 процентов.
Викторина «Британника»
Энергия и ископаемое топливо
От ископаемого топлива и солнечной энергии до электрических чудес Томаса Эдисона и Николы Теслы — мир живет за счет энергии. Используйте свои природные ресурсы и проверьте свои знания об энергии в этой викторине.
Фактическая производительность простого открытого цикла
Если для агрегата, работающего в пределах одного и того же давления и температуры, компрессор и турбина имеют КПД только 80% (, т. е. , работа идеального компрессора равна 0,8-кратной фактической работе, а фактическая мощность турбины — 0,8-кратной фактической идеальный выход), ситуация резко меняется, даже если все остальные компоненты остаются идеальными.
На каждый произведенный киловатт полезной мощности турбина теперь должна производить 2,71 киловатта, а работа компрессора становится равной 1,71 киловатта. Тепловой КПД падает до 25,9.процент. Это иллюстрирует важность высокоэффективных компрессоров и турбин. Исторически сложилось так, что разработка эффективных компрессоров была труднее, чем эффективные турбины, что задержало разработку газотурбинного двигателя. Современные агрегаты могут иметь КПД компрессора 86–88 процентов и КПД турбины 88–90 процентов при проектных условиях.
КПД и выходная мощность могут быть увеличены за счет повышения температуры на входе в турбину. Однако все материалы теряют прочность при очень высоких температурах, а поскольку лопатки турбин движутся с высокими скоростями и подвергаются сильным центробежным нагрузкам, температура на входе в турбину выше 1100°C требует специального охлаждения лопаток. Можно показать, что для каждой максимальной температуры на входе в турбину существует оптимальная степень повышения давления.
Современные авиационные ГТУ с охлаждением лопаток работают при температуре на входе в турбину выше 1370°С и степени повышения давления около 30:1.
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас
Промежуточное охлаждение, подогрев и регенерация
В авиационных газотурбинных двигателях необходимо обращать внимание на массу и размер диаметра. Это не позволяет добавлять дополнительное оборудование для повышения производительности. Соответственно, двигатели коммерческих самолетов работают по идеализированному выше простому циклу Брайтона. Эти ограничения не распространяются на стационарные газовые турбины, в которые могут быть добавлены компоненты для повышения эффективности. Улучшения могут включать (1) снижение работы сжатия за счет промежуточного охлаждения, (2) увеличение мощности турбины за счет повторного нагрева после частичного расширения или (3) снижение расхода топлива за счет регенерации.
Первое усовершенствование будет включать сжатие воздуха при почти постоянной температуре.
Хотя этого нельзя достичь на практике, это можно приблизить к промежуточному охлаждению (, т. е. , сжимая воздух в два или более этапа и охлаждая его водой между этапами до его исходной температуры). Охлаждение уменьшает объем обрабатываемого воздуха, а вместе с ним и необходимую работу сжатия.
Второе усовершенствование включает повторный нагрев воздуха после частичного расширения через турбину высокого давления во втором наборе камер сгорания перед подачей его в турбину низкого давления для окончательного расширения. Этот процесс аналогичен повторному нагреву, используемому в паровой турбине.
Оба подхода требуют значительного дополнительного оборудования и используются реже, чем третье усовершенствование. Здесь горячие выхлопные газы турбины проходят через теплообменник или регенератор для повышения температуры воздуха, выходящего из компрессора перед сгоранием. Это уменьшает количество топлива, необходимое для достижения желаемой температуры на входе в турбину.
Однако повышение эффективности связано с большим увеличением первоначальных затрат и будет экономически выгодным только для агрегатов, которые работают практически непрерывно.
Газовые турбины
Узнайте об истории и развитии газовой турбины
газовая турбина стала важным, распространенным и надежным устройством в области энергетики, транспорта и других приложений. Газовая турбина — это двигатель внутреннего сгорания, он может сжигать различные топлива (что способствует его большой универсальности).
Использование газовых турбин:
Есть
Есть много форм газовых турбин длиной от 1 до 10+ метров. Газовые турбины
прийти в большом разнообразии форм для удовлетворения различных потребностей в энергии
от вождения танков, самолетов и вертолетов до производства электроэнергии
и промышленное использование энергии.
В на этой веб-странице мы обсуждаем газовые турбины , используемые для производства электроэнергии .
Позже на вы можете узнать о многих других сложных формах газовой турбины указан на вики страница.
1.
Как это работает
2. Краткая история газовых турбин
3. Разработка газовых турбин в General Electric, Арне
Лофт
4. Системы управления газовыми турбинами
1. Как это работает:
Газовая турбина используется для получения механической энергии из горючего топлива. В газе турбины, используемые для превращения промышленной/электрической энергии в механическую энергию приходит в виде вращающийся вал (в отличие от герметичных тяга газотурбинного реактивного двигателя). Этот вал имеет огромное количество мощности и крутящего момента.
Использование газовая турбина с валом:
Вал может быть подключен к другому оборудованию для выполнения различных видов работ, таких как: вращение винта вертолета, запуск компрессора (который «давит» газ в конденсированную форму для использования в промышленных целях) или генерирующих электроэнергия.
Газовая турбина полезен для нашего современного мира, потому что он относительно компактен по размеру и дает много энергии. Газовые турбины используются в системах резервного электроснабжения например, на Манхэттене, когда сеть выходит из строя из-за стихийного бедствия, газовые турбины включаются и могут производить энергию для аварийных нужд.
Газовые турбины используются на нефтяных платформах для производства электроэнергии. Нефтяная платформа похожа на маленький город, изолированный от воды, поэтому требует много энергии и не имеет много места.
Упряжь сила взрыва: Как работает устройство:
Газовые турбины также используются в нефтяной промышленности.
нефтеперерабатывающие заводы, чтобы произвести энергию для крекинга
процесс.Исходное изображение выше: General Electric.
Газовая турбина сжигает топливо в камере сгорания высокого давления, продукты из этого принудительно в турбину. Турбина специально спроектирована лопасти, прикрепленные к центральному валу, и как газы под высоким давлением протекают, вал вращается. Вал вращается с невероятной силой. Вал часто подключается к генератору, который вырабатывает электроэнергию. Иногда вал соединен с компрессором. Компрессоры используются для сжатия газа или пара для множества промышленных и коммерческих целей.
Часы видео ниже, чтобы узнать подробности о том, как работает газовая турбина:
youtube.com/embed/xiu9fIgydx4?rel=0″ frameborder=»0″ allowfullscreen=»»>
2. Краткая история газовой турбины:
Газ турбины, разработанные из двух областей техники: паровая турбина, и двигатель внутреннего сгорания. Работа над обоими этими полями помогла привели к «Современной газовой турбине» периода после 1940-х годов.
1500 — 1870-е годы: Леонардо да Винчи, Джованни Бранка, Джон Барбер и др. упомянуть или спроектировать устройства, которые используют горячий газ или пар для создания движения. Одновременно работают Сэмюэл Браун, Сади Карно, Сэмюэл Морел, Уильям Барнетт и другие разрабатывают конструкцию двигателя внутреннего сгорания. Базовое понимание и теория того, как газы горят и ведут себя в закрытых помещениях. пространства развиты.
| Паровая турбина by GE, нажмите на изображение, чтобы увидеть увеличенное фото |
|
станции в Кембридже, Англия. Чарльз Кертис (США) разрабатывает
другой дизайн и продает патент E.W.
Райс в General Electric. Райс отдает Кертису всю рабочую силу
и ресурсы, необходимые ему для разработки самого мощного в мире парового двигателя.
турбины, которые коммерчески продаются по всему континенту. Др.
Сэнфорд Мосс разрабатывает диссертацию о газовых турбинах в 1919 г.03, он присоединяется
Дженерал Электрик в Массачусетсе. Мосс разрабатывает супертурбокомпрессор во время
Первая мировая война. Это устройство использует горячие выхлопные газы из внутреннего
двигатель внутреннего сгорания для привода турбинного колеса, которое приводило в движение центробежную
компрессор. Это устройство увеличило мощность двигателя.
В 1918 году GE открывает подразделение газовых турбин. Это устанавливает этап
для GE, чтобы возглавить индустрию коммерческих газовых турбин спустя десятилетия.
Доктор А. А. Гриффит развивает жизненно важные теории относительно потока газа.
прошлые аэродинамические поверхности по сравнению с предыдущим методом использования проходов.Реактивные двигатели использовать газотурбинную технику. Это применение газовых турбин было разработано сначала сэр Фрэнк Уиттл, Ганс фон Ойан, доктор Франц Анслем и другие. периода 1930-42 гг. Разработка реактивного двигателя — еще одна тема, лучше всего обсуждаются на отдельной странице.
первая современная газовая турбина:
BCC Brown Boveri
& Cie (Швейцария) ведет разработку газовых турбин для коммунальных
выработка электроэнергии с 1930 с. Рауль Патерас де Пескара, Ханс
von Ohain, Max Hahn разрабатывают свои собственные проекты вне BCC Brown Boveri.
В 1936 году компания BCC Brown Boveri построила котел Velox с наддувом для нефтеперерабатывающего завода.
в Пенсильвании, который использовался в процессе каталитического крекинга для
масло. В 1939 году установлена газовая турбина мощностью 4 МВт.
в Невшателе, Швейцария. Теперь вы можете увидеть эту турбину на выставке в
Бирр, Швейцария. Он проходил с 1939 по 2002 год.
Первый коммерческий
продана газовая турбина в Западном полушарии, используемая для производства электроэнергии
был установлен в 1949 году на станции Бель-Айл, штат Оклахома, США. Основная группа
инженеров General Electric первыми разработали эффективную и мощную
дизайн, который лег в основу многомиллиардной индустрии.
конструкция привела к взрывному росту продаж газовых турбин по всему миру. Газовые турбины
наконец занял прочное место в области надежного производства электроэнергии после
1950.
Пионеры Газовая турбина 1949 года в GE включает: Брюса Бакленда «Мистер Газовая турбина», Нил Старки (GT Control Genius), Арне Лофт*, Энди Смит, Боб Крамер, Боб Хендриксон*, Дик Ноэ, Том МакКоун, Эл Бойко, Билл Тейлор, Голди Голдсворт, Фрэнк Йипл, Джордж Фуснер, Эдди Уимет, Энди Даргис, Рой Линн, Джон Бак, Фил Белл, Фред Каммингс, Фернан Померло.
*Доступны видеолекции Арне Лофт и Боб Хендриксон
Вверху: Инженеры-ракетчики и газовые турбины Мальтийский испытательный полигон
3. Инженерный форум:
|
, проработав 42 года.
оказание услуг. Он сыграл важную роль в разработке многих ранних газовых
турбин, которые сделали GE одним из ведущих поставщиков
газовые турбины. Первая половина его трудовой деятельности пришлась на
бизнес паровых турбин и вторая половина в дизайне газовых турбин.
Следующая информация была извлечена из записанного на пленку интервью
с Брюсом в 1980:
Исследования
были прерваны в 1941 в результате встречи Алекса Стивенсона
и Глен Уоррен с доктором Дюрандом, главой N.A.C.A. (Предшественник
НАСА), после чего GE было приказано отказаться от своих планов по
локомотивный двигатель и обратить свое внимание на авиационные двигатели.
В этот период Рой Шульц и полковник Дон Керн, которые были
в Англии, расследуя реактивный двигатель Уиттла, договорились
отправить образец двигателя Whittle группе нагнетателей.
результатом стал И-16 с 1600 фунтами тяги и используемый для питания
колокол XP-59. И-40 был следующей конструкцией реактивного двигателя с 4000
фунтов тяги. Оба проекта по проектированию двигателей были очень секретными.
на ранних стадиях.
Позже ТГ-180 приводил в движение
Р-84, Р-86, Б-45 и Б-47.
Затем последовала отгрузка первого газа
турбина для коммунального использования компании Texas Power and Light в конце 1952 г.,
МС3001. Затем GE продала 20 единиц новой двухвальной версии,
трубопроводный газ. К декабрю 1979 года одно из этих подразделений на Пекосе
Речной вокзал отработал 200 000 часов, что побудило Ховарда
Перри, чтобы отпраздновать это событие, организовав вечеринку в Эль-Пасо.
Тем временем GE начала получать заказы на многие «газовые насосы».
с. в 1952/1953 гг., и Union Pacific заказала
30 единиц. Это был смелый проект, поскольку он имел большой пролет.
только с двумя опорными подшипниками. Кроме того, имелся осевой
резонанс потока и некоторые из машин «на испытании» сбрасывают
корзины и пострадали от сбоев динамических компонентов, что привело к
очень много проблем. Они были успешно очищены, в том числе
ранние отказы колес, которые были устранены путем разработки метода
испытаний на горячее растяжение и хладостойкость турбинных колес,
используется до сих пор.
К счастью для
GE, большое отключение электроэнергии в 1965 году в районе Нью-Йорка произошло в
на этот раз и один из газа Лонг-Айленда Лайт и Энергетика
турбины подхватили систему с «черного старта».
Это мероприятие вкупе с решением технических проблем с
Конструкция Frame 5 стала стимулом, необходимым для изменения бизнеса
и считается поворотным моментом в бизнесе газовых турбин.
4. Системы управления газовыми турбинами:
Газ
турбины — чрезвычайно сложные устройства, требующие точного управления
работать. Инженеры по управлению General Electric были первыми, кто
разработать надежную систему управления.
Нил Старки разработал механический
контроль, который был надежным в 1940с. Нужна была лучшая система
используя компьютеры и электронику (которая сама только что была разработана
в это время). Эта первая электронная система была разработана Арне Лофтом,
инженер-механик/электрик, работающий в GE в Скенектади, Нью-Йорк.
Ниже его рассказ о разработке первого Speedtronic Control.
Система. (Позже Speedtronic превратилась в большую линейку продуктов, которая контролирует
не только газовые турбины, но и паровые турбины и другие устройства).
Видео на первой системе управления Speedtronic ниже:
1980-е годы:
Газ 7 F Турбина General Electric (видео Youtube):
Похожие темы:
Тепловозы электрические | Паровозы | Электромобили | Тележки и легкорельсовый транспорт | Паровые турбины | Динамо-машины и генераторы |
Нравится нас на Facebook
Источники:
— История
Газовая турбина с Бобом Хендриксоном Фрэнка Хакерта и Эдисона
Технический центр
— Подарки Эдисона: Интервью с Арне Лофтом от Эдисона
Технический центр
-Википедия (Двигатель внутреннего сгорания, статьи о газовых турбинах)
-About.
com Изобретатели
-История General Electric в Зале истории
— ASME.org -Газовая турбина Belle Isle
— Группа ABB, История веб-страница
Принципы работы авиационного газотурбинного двигателя
Преобразование энергии
Газотурбинный двигатель представляет собой тепловой двигатель, преобразующий химическую энергию топлива в тепловую энергию. Тепловая энергия вызывает увеличение давления газа, которое преобразуется в кинетическую энергию в виде высокоскоростного потока воздуха. Кинетическая энергия преобразуется в механическую энергию, когда газы вращают ряд турбинных колес, приводя в действие компрессор и аксессуары. В случае турбовинтовых или турбовальных двигателей расширяющиеся газы могут также приводить в действие вторую силовую турбину, приводящую в движение воздушный винт или редуктор.
Цикл преобразования энергии
Цикл преобразования энергии в газотурбинном двигателе известен как цикл Брайтона (или цикл постоянного давления).
Подобно четырехтактному циклу Отто, цикл Брайтона имеет процессы впуска, сжатия, сгорания и выпуска. Однако, в отличие от поршневого двигателя, в газотурбинном двигателе все четыре события происходят одновременно и непрерывно. Газотурбинный двигатель способен непрерывно производить энергию. Чтобы поддерживать непрерывное производство энергии, газотурбинный двигатель должен сжигать большое количество топлива. [Рисунок 1]
| Рис. 1. В газотурбинном двигателе воздух всасывается через воздухозаборник, сжимается в компрессоре, смешивается с топливом и воспламеняется в камерах сгорания, выбрасывается через турбины и выхлопное сопло . ГТД выполняет те же функции, что и цилиндр и поршень в поршневом двигателе. В газотурбинном двигателе эти четыре события происходят постоянно |
Непрерывное всасывание в газотурбинном двигателе всасывает окружающий воздух в двигатель через впускной канал к первой ступени компрессора.
Каждая ступень компрессора увеличивает статическое давление воздуха. В камере сгорания топливо впрыскивается в поток входящего воздуха и воспламеняется, что приводит к непрерывному горению. В результате высвобождения тепловой энергии увеличивается объем воздуха при сохранении относительно постоянного давления.
Когда выхлопной воздух выходит из камеры сгорания, он проходит через турбину, где статическое давление воздуха падает, а объем воздуха продолжает увеличиваться. Поскольку поток расширяющихся газов относительно беспрепятственный, скорость резко возрастает. [Рис. 2]
Рисунок 2 . На этой диаграмме показаны изменения давления и объема во время работы двигателя. Точка А представляет состояние воздуха непосредственно перед входом в компрессор. После того, как он попадает в компрессор, его давление увеличивается, а объем уменьшается. Точка B представляет собой давление и объем воздуха на выходе из компрессора. В точке C тепловая энергия расширяет объем воздушной массы практически без изменения давления. После нагрева воздух расширяется и теряет давление по мере прохождения через секцию турбины к точке D |
Принципы работы
Принцип действия газотурбинного двигателя, обеспечивающего движение самолета, основан на законе импульса Ньютона. Этот закон гласит, что на каждое действие есть равное и противоположное противодействие; поэтому, если двигатель ускоряет массу воздуха (действие), он прикладывает силу к самолету (реакция). ТРДД создает тягу, придавая относительно медленное ускорение большому количеству воздуха. Старый чисто турбореактивный двигатель достигает тяги, сообщая большее ускорение меньшему количеству воздуха. Это была его основная проблема с расходом топлива и шумом.
Масса воздуха ускоряется в двигателе за счет использования непрерывного цикла. Окружающий воздух поступает во впускной диффузор, где он подвергается изменениям температуры, давления и скорости из-за эффекта набегания.
Затем компрессор механически увеличивает давление и температуру воздуха. Воздух под постоянным давлением поступает в секцию горелки, где его температура повышается за счет сжигания топлива. Энергия берется из горячего газа за счет расширения через турбину, которая приводит в действие компрессор, и за счет расширения через выхлопное сопло, предназначенное для выпуска выхлопных газов с высокой скоростью для создания тяги.
Высокоскоростные газы из двигателя можно считать непрерывными, поскольку они передают эту силу воздушному судну, в котором он установлен, тем самым создавая тягу. Формулу тяги можно вывести из второго закона Ньютона, который гласит, что сила пропорциональна произведению массы на ускорение. Этот закон выражается формулой:
F = M × A
где;
F = сила в фунтах
M = масса в фунтах в секунду
A = ускорение в футах в секунду
В приведенной выше формуле масса аналогична весу, но на самом деле это другая величина.
Масса относится к количеству материи, а вес относится к силе тяжести на это количество материи. На уровне моря при стандартных условиях 1 фунт массы имеет вес 1 фунт. Для расчета ускорения данной массы в качестве единицы сравнения используется гравитационная постоянная. Сила тяжести составляет 32,2 фута в секунду в квадрате (фут/сек 2 ). Это означает, что свободно падающий объект массой 1 фунт ускоряется со скоростью 32,2 фута в секунду каждую секунду, когда на него действует сила тяжести. Поскольку масса объекта составляет 1 фунт, что также является фактической силой, действующей на него под действием силы тяжести, можно предположить, что сила в 1 фунт ускоряет объект 1-1 со скоростью 32,2 фута/сек 2 .
Кроме того, сила в 10 фунтов ускоряет массу в 10 фунтов со скоростью 32,2 фута в секунду 2 . Это предполагает отсутствие трения или другого сопротивления, которое необходимо преодолеть. Теперь очевидно, что отношение силы (в фунтах) к массе (в фунтах) равно ускорению в футах в секунду 2 до 32.
2. Используя M для представления массы в фунтах, формулу можно выразить следующим образом:
В любой формуле, включающей работу, необходимо учитывать фактор времени. Все временные коэффициенты удобно указывать в эквивалентных единицах (например, в секундах, минутах или часах). При расчете реактивной тяги удобен термин «фунты воздуха в секунду», так как секунда — это та же единица времени, что и для силы тяжести.
СВЯЗАННЫЕ ПОСТЫ
о конструкции газотурбинного двигателя и крутящем моменте
Газовая турбина является разновидностью внутреннего сгорания
двигатель, который извлекает мощность непосредственно из сгоревшего горячего газа. Главный
отличие от паровой турбины в том, что мощность напрямую вырабатывается
из сгоревшего газа, а не из пара, кипящего сгоревшим газом.
Дизельные двигатели и бензиновые двигатели хорошо известны
движущая сила, обычно используемая вокруг нас, и газотурбинные двигатели могут не
знакомый нам.
Но всем известный реактивный двигатель является своего рода газовой турбиной и
большинство вертолетов и винтовых самолетов приводятся в движение газовой турбиной, за исключением
для некоторых мелких типов. Другие транспортные средства, такие как Jetfoil, высокоскоростной корабль,
большинство культов, таких как эсминцы и крейсеры, приводятся в движение газом.
двигатель с турбиной. В производстве электроэнергии газовая турбина является основным источником энергии, особенно в
аварийного назначения и крупной энергетической установки. Совсем недавно
система когенерации для подачи тепла и электроэнергии распространяется в удобстве
магазин, больница и газовая турбина становятся для нас все более и более привычными.
Как это работает
Газовая турбина требует очень точного производственный процесс, но его основной компонент прост.
На приведенной выше схеме показаны три основных
компонентов, компрессора, камеры сгорания и турбины.
Компрессор
обычно состоит из цилиндра в форме сердечника с множеством прикрепленных лопастей вентилятора.
рядами Вращение этих лопастей вентилятора с высокой скоростью сжимает воздух и
отправить его в камеру сгорания. В камере сгорания топливо впрыскивается в сжатый
воздух и загорелся. Затем сгоревший горячий газ высокого давления поступает в
секция турбины, вращает турбину и выхлопной газ
выпущено в атмосферу. Компрессор и турбина соединены напрямую
и поворачиваться как единое целое.
Большая часть энергии, вырабатываемой турбиной, используется для вращения
компрессор и остаточная мощность могут использоваться для привода генератора или насоса. В
реактивный двигатель, остаточная мощность используется в качестве тяги.
Поскольку эта газовая турбина имеет один вал в одном двигателе, она называется
«одновальный газотурбинный двигатель». Этот тип газовой турбины
не может вращаться на низкой скорости, потому что низкая скорость вращения компрессора
не может производить сжатый воздух под высоким давлением, что приводит к возгоранию
поломка и глохнет двигатель.
Так одновальная газовая турбина обычно
применяется для производства электроэнергии, где не требуется регулируемая скорость.
В следующей схеме турбина разделена на две часть, каждая из которых может вращаться независимо. Компрессор и левая турбина вращаются как единое целое, и правая турбина вращается свободно.
Следовательно, выходной вал может остановиться во время
двигатель работает и может запускаться на нулевой скорости, может вращаться на любой скорости.
Эта газовая турбина имеет два отдельных вала и поэтому называется «двухвальной».
газовая турбина» или «газовая турбина со свободным валом». Даже если выход
вал остановлен, газогенератор (компрессорно-турбинная установка) может вращаться при
полная скорость, газ под высоким давлением непрерывно подается и
создается крутящий момент. Этот тип газовой турбины имеет высокий крутящий момент при низком
скорость и сравнительно высокий КПД на низкой скорости, поэтому он подходит для
приводить в движение автомобили и поезда.
В этом разделе показано соотношение крутящий момент-скорость. особенность газовой турбины.
На следующей схеме синяя линия показывает
соотношение между скоростью вращения и крутящим моментом двухвального газа
турбина. Реальный двигатель имеет несколько больший крутящий момент на низких оборотах, но
приближается к прямой линии. Кривая красного цвета показывает зависимость между
обороты и мощность двигателя.
Их вертикальная ось представляет собой крутящий момент или мощность в процентах, а горизонтальная ось
это частота вращения двигателя в процентах. В точке (100 100) двигатель обеспечивает наилучшие
производительность. На этом графике показано, что когда частота вращения двигателя снижается до
60 %, крутящий момент двигателя увеличивается на 140 %, а когда частота вращения двигателя снижается до
40%, крутящий момент двигателя увеличивается на 160%.
Если вы автомобильный орех и заинтересованы
в автомобильной технике, вы будете рваться к этому двигателю.
Поскольку мощность двигателя является произведением крутящего момента
и скорость, мощность двигателя сравнительно поддерживается на низкой скорости. В
Скорость двигателя 40%, мощность 60% сохраняется.
Этот символ выгоден для железнодорожных приложений, где большие
тяговое усилие незаменимо при старте или малой скорости. Дизели и
Ванкели, используемые в настоящее время в автомобилях, не имеют этого, и у них есть почти
постоянный крутящий момент независимо от частоты вращения двигателя. Это означает, что когда двигатель
скорость уменьшается, мощность двигателя уменьшается, как показано на следующей схеме.
Для этих двигателей требуется механическое или электрическое
преобразователь крутящего момента для преодоления этого дефекта.
Как упоминалось выше, два
вал газовой турбины имеет функцию встроенного гидротрансформатора и даже
Возможна одноступенчатая механическая трансмиссия с прямым приводом. На японском
национальные железные дороги, Киха
391 прототип с турбинным двигателем был изготовлен и оснащен без крутящего момента.
преобразователя, а в других округах у некоторых паровозов с турбиной не было
гидротрансформатор или электрическая трансмиссия.
Неисправность двухвальной газовой турбины
что увеличение его компонента и веса. Одновальная газовая турбина
прост, так как выходной вал соединен с высокоскоростным вращающимся
компрессор, имеет большую инерцию вращения, что приводит к хорошему
стабильность скорости вращения. Это очень эффективно в
производство электроэнергии, где постоянная скорость важна для поддержания
частота. Следующая схема иллюстрирует взаимосвязь между крутящим моментом
и скорость одиночного вала.
Он очень отличается от двух валов
двигатель, и это кажется очень неуместным для вождения транспортных средств.
Прочие характеристики
Самая отличительная особенность газовых турбин от Поршневые двигатели внутреннего сгорания — это количество газа, которое необходимо обработаны в том же объеме двигателя. Газовая турбина может обрабатывать большое количество газа в небольшом двигателе, что приводит к очень высокой удельной мощности. Ты можешь представить 500 кг газотурбинный двигатель объемом 2 кубических метра обеспечивает мощность 5000 л.с. ? В дизеле двигатель, размер будет таким же, как у большого грузовика. Даже современный электродвигатель мощностью 300 кВт, используемый в Синкансэн весит около 300 кг.
Эта картинка
показывает газотурбинный двигатель мощностью 25000 кВт. Реактивный двигатель, используемый в «Джамбо «Джет» такой же большой. Вы можете настаивать на том, что двигатель «Джамбо» намного больше, но поскольку турбовентиляторный двигатель имеет большой воздушный винт вокруг сердечник двигателя, сам сердечник двигателя очень мал. Следующей особенностью газовой турбины является то, что она может
использовать в качестве топлива многие легковоспламеняющиеся газы и жидкости. За
например, бензин, дизельное топливо, керосин, спирт, природный
газ, водород.
|
Вы можете угадать размер
двигателя, сравнивая человека, стоящего рядом с ним. Двигатель
мощность 25000кВт, а не 2500кВт, и это не максимум
выход, это непрерывный номинальный выход. Это гораздо мощнее
чем общий набор поездов Синкансэн серии 500, состоит из 16
движущиеся автомобили. Для достижения этой цели
производительность с другими двигателями, он будет размером со здание.
Регенеративные виды топлива, такие как спирт и метан
в последнее время привлекают значительное внимание, и газовая турбина
хорошо подходят им.Следующей особенностью является то, что газовая турбина может создавать большой крутящий момент на низкой скорости. Как упоминалось выше, это важная функция для управления транспортными средствами, которая устраняет сложные передачи и увеличивает ускорение. Следующая схема иллюстрирует это преимущество. Это сравнение крутящего момента и выходной мощности танковый дизель с турбонаддувом и трехвальная газовая турбина демонстрируя высокий крутящий момент газовой турбины при преимуществе низкой скорости.
Недавно высокая эффективность и легкий вес
доступна электрическая трансмиссия, и это преимущество исчезает
далеко в системе привода автомобиля, но удобно там, где простота
и легкий вес являются важным фактором.
Следующее, что газовая турбина не вибрирует
и не так шумно. Газовая турбина в основном производит высокочастотный шум и
легко снижается глушителем. С другой стороны, дизельный двигатель
производит много низкочастотного шума с сильной вибрацией и делает его
трудно уменьшить шум. Вы можете ощутить эту разницу, когда
кататься на реактивном самолете. Реактивное крыло с турбинным приводом не подвержено вибрации и менее
шумно, но дизельная лодка сильно шумит и вибрирует. Турбина
реактивный двигатель с двигателем хорошо заглушен, производит шум около 90-100 дБ на
недалеко от корабля. Учитывая уровень выходной мощности 8000 л.с.,
можно сказать, что это бесшумный автомобиль. С другой стороны,
Испытательный вагон японской национальной железной дороги с турбинным двигателем и прямым приводом
Kiha391, выпуска начала 70-х был намного шумнее, что и производило шум
более 120 дБ при запуске на полной мощности.
Другой особенностью является то, что газовая турбина потребляет меньше
смазочного масла, чем поршневой двигатель, и не требует большого
система охлаждения.
Обычно поршневые двигатели плохо запускаются в холодную погоду, но
газовая турбина в таком состоянии легко заводится и долго работает на холостом ходу
разогревать.
Газовая турбина более экологична, чем другие внутренние
двигатель внутреннего сгорания. Когда дизельный поезд отправляется на станции, станция
будет заполнен ядовитым сине-белым или черным дымом, и вы можете быть
трудно видеть и дышать. Представьте себе аэропорт, забитый дизельным топливом.
приводятся в действие большие самолеты, и вокруг будет сильное загрязнение воздуха.
аэропорт.
Что такое дефекты?
Самая серьезная проблема в том, что газовая турбина
потребляет много топлива, особенно в малом двигателе. При работе в
при частичной нагрузке КПД серьезно снижается.
При полной нагрузке немного газа
турбины могут быть более экономичными, чем некоторые высокоскоростные дизельные двигатели.
но это не так при частичной нагрузке.
На следующем графике показана взаимосвязь между интенсивностью нагрева и мощностью
сила.
Когда выходная мощность снижается на 30%, тогда скорость нагрева почти удваивается.
На следующем графике показано изменение теплового КПД тепловоза и газотурбовоза класса 5000 л.с. Функция выходной мощности двигателя. Этот класс газовых турбин классифицируется поскольку средний размер и его эффективность частичной нагрузки относительно хороши, но еще хуже по сравнению с тепловозом особенно на малых Лошадиные силы.
И что еще хуже, газовая турбина потребляет
больше топлива, чем другие поршневые двигатели на холостом ходу. Как упоминается
выше, компрессор должен постоянно вращаться с высокой скоростью, чтобы обеспечить эффективное
сжатым воздухом для поддержания работы двигателя на холостом ходу.
Когда газовая турбина
на холостом ходу турбина крутится на скорости 60% и более. Например, класс 1000 л.с.
газовая турбина должна крутиться со скоростью свыше 10000 об/мин, а если двигатель заглушить
на холостом ходу в течение одного часа он израсходует более 40 кг топлива, это количество
быть в четыре раза и более, чем у дизеля.
Это не так серьезно для высокоскоростных железных дорог, где долгое время
Крейсерская скорость на высокой скорости является обычным явлением, и требуется большая крейсерская мощность. Но
в обычном железнодорожном приложении время выбега намного больше, чем питание
время приводит к плохой экономии топлива. В плохих условиях расход топлива
может быть вдвое больше, чем у дизель-поезда. В американском тяжелом режиме
грузовой поезд, предполагается, что работа газовой турбины класса 5000 л.с.
увеличит расход топлива на 25% по сравнению с дизельным двигателем.
Другой аспект высокого расхода топлива заключается в том, что
низкоскоростная работа газовой турбины ухудшает эффективность использования топлива.
Такое случается
даже в двухвальной газовой турбине, несмотря на высокий крутящий момент на малых оборотах.
Турбина разработана для обеспечения наилучшей производительности при определенных условиях.
скорость. Это называется «расчетной точкой». Когда турбина
вращение с этой скоростью, а затем осевая нагрузка увеличивается, вращение
скорость будет уменьшаться и уравновешивать скорость из-за уменьшения скорости турбины
увеличивает его крутящий момент. При этом количество потребляемого топлива не
сдача. Это отличительная разница между турбиной и
Поршневой двигатель. В поршневом двигателе одинаковое количество топлива
расходуется при каждом взрыве и тогда расход топлива пропорционален
скорость вращения двигателя. Но газовая турбина сплошная
двигатель внутреннего сгорания и количество впрыскиваемого топлива не зависит от
скорость двигателя. Если крутящий момент турбины удваивается на половине скорости,
проблема, но поскольку КПД турбины ухудшается при частоте вращения за пределами
расчетной точки, крутящий момент турбины увеличивается не вдвое, а примерно в 1,5
раз.
Это означает, что на этой скорости происходит потеря 25%.
Высокая стоимость двигателя также имеет значение барьер для железнодорожных приложений. Массовое производство газовых микротурбин может иметь конкурентное преимущество перед другими поршневыми двигателями, но 5000 л.с. стоимость газовой турбины класса в три-четыре раза выше, чем у сопоставимого дизельный двигатель. Эта стоимость примерно равна полной стоимости тепловоз.
Высокая скорость вращения турбины требует сложная коробка передач с тяжелым редуктором. Двигатели среднего класса крутятся 10000 до 20000 об/мин и малый класс свыше 100000 об/мин. Но недавнее продвижение технология высокоскоростного генератора позволила генератору соединить непосредственно к валу турбины, что приводит к очень легкому весу генератора установлен.
Газовые турбины поглощают много воздуха и
выматывать много. Следовательно, глушитель и воздушный фильтр занимают много места.
и это может повлиять на пространство салона или грузовое пространство.
Газ турбинам требуется чистый воздух для поддержания эффективности использования топлива, потому что если компрессор лопатки загрязняются, КПД компрессора снижается и общее снижается эффективность. В самолетах, которые летают, такой проблемы нет. большая высота, но на суше или на море двигатели должны поглощать воздух, богатый частицами.
Производство газовых турбин сильный звук при запуске на полную мощность, когда выходной вал застопорился. Это характерное явление для двухвальной газовой турбины. когда поезд с прямым приводом отправляется на станции.
циклический профиль нагрузки типичной работы локомотива может быть
вызов газовым турбинам. Газ
турбины обычно используются на постоянной мощности. Но локомотив работает
мощность изменяется динамически, от холостого хода до максимальной мощности.
Этот
увеличивает тепловую нагрузку и влияет на срок службы двигателя.
Что такое турбинный двигатель?
Газотурбинный двигатель — это специально разработанная машина, которую часто называют «Газовая турбина ». В некоторых случаях он обозначается как « Турбина внутреннего сгорания ».
Этот тип двигателя часто классифицируют как «Двигатель внутреннего сгорания» из-за того, что сгорание с участием топлива агрегата происходит при смешивании с ним особого типа окислителя в тщательно спроектированной камере сгорания. Эта камера считается очень важной частью схемы, обеспечивающей функциональность двигателя в целом.
Некоторые из наиболее важных частей газотурбинного двигателя включают вращающийся компрессор, который течет вверх по потоку, турбину, которая течет вниз по потоку, и вышеупомянутую камеру сгорания. Как и большинство двигателей в современном мире, газотурбинный двигатель представляет собой особый тип машинного агрегата, способный успешно преобразовывать энергию в тип механического движения с целью обеспечения мощности и/или функциональности.
к специальным устройствам, таким как вертолеты, относительно небольшие силовые установки, реактивные самолеты и танки.
Чтобы запросить дополнительную информацию о компании Aviation & Marketing International , нажмите здесь!
Как работает газотурбинный двигатель?В газотурбинном двигателе энергия создается и добавляется в поток газа, который присутствует внутри компонента двигателя, известного как « Камера сгорания ». Именно в этой области происходит тщательное перемешивание компонентов воздуха и топлива. Когда эта смесь успешна, она воспламеняется.
Слишком высокое давление в камере сгорания. В результате топливо подвергается более высоким уровням сгорания, а общая температура деталей газотурбинного двигателя резко возрастает.
Как только температура в двигателе повышается, смесь нагнетается в так называемую « секцию турбины ». Именно в этот момент поток газа начинает двигаться в больших объемах и с исключительно высокой скоростью.
Затем он перемещается к специально разработанному соплу, которое выбрасывает жидкую смесь через лопасти, расположенные на двигателе. Эти специальные детали газотурбинного двигателя затем вращаются, что приводит к передаче мощности на компрессор. В конце концов давление газа, выбрасываемого из выхлопных газов, и общая температура газотурбинного двигателя снижаются.
По сравнению со стандартным двигателем, который приводится в действие с помощью поршней специальной конструкции, газотурбинный двигатель считается исключительно простым в эксплуатации, хотя и более мощным по мощности. Он считается более простым, поскольку из всех частей двигателя есть только одна основная часть, которая считается движущейся частью и находится в секции, которая управляет преобразованием мощности агрегата. Поршневые двигатели, с другой стороны, включают в себя десятки отдельных движущихся частей и элементов.
При оценке деталей газотурбинного двигателя вы заметите, что он имеет центральный компонент вала, который включает в себя турбину специальной конструкции на конце, выпускающем выхлопные газы, и вентилятор специальной конструкции, отвечающий за сжатие двигателя на конце, на который ссылаются механики. как « Впуск ».
Преимущества газотурбинного двигателяПо словам механиков и специалистов по газотурбинным двигателям, этот конкретный двигатель обладает многочисленными преимуществами. К ним относятся, но не ограничиваются следующим:
- Эти двигатели разработаны для оптимальной работы при более низком давлении во время работы.
- Детали двигателя считаются оптимальными для работы на высотах, которые считаются большими. Вот почему многие типы самолетов используют эти двигатели.
- Скорости двигателей могут работать на более высоких скоростях, чем у стандартных двигателей с поршневым управлением.
- С этими двигателями связано гораздо меньше компонентов, что означает, что их легче обслуживать и ремонтировать.
- Детали двигателя, содержащиеся в этих типах двигателей, имеют более высокий показатель успеха, когда речь идет о внутренней смазке. Турбинные двигатели
- способны выдерживать большой вес, обеспечивая при этом высокий уровень мощности транспортных средств и судов, на которых они используются.
КОГДА ВЫ ДУМАЕТЕ
TFE731ДУМАЕТЕ AMI
В Aviation & Marketing International мы храним один из самых больших вариантов деталей газотурбинного двигателя TFE731 . Имея на складе более 60 000 деталей, мы можем с гордостью сказать, что являемся универсальным магазином для всех ваших деталей, технического обслуживания и обслуживания TFE731 . Хотя шансы на то, что у нас не будет нужных вам деталей, невелики, если случайно у нас их нет, мы полностью способны передать вам эту конкретную деталь двигателя TFE731 , что сэкономит вам время и нервы.
ПОИСК ЗАПЧАСТЕЙ TFE731
Сегодня в транспортных средствах и судах используется множество газотурбинных двигателей. Ниже приведены некоторые примеры транспортных средств и/или судов с газотурбинным двигателем:
- Ayres Thrush Сельскохозяйственный самолет
- Цессна Скаймастер
- Mitsubishi MU-2 из Японии
- Гаррет TPE331
- Британские железные дороги 18000
- Ровер JET1 1950 года
- Турбина MTT SUPERBIKE
- Танк Пантера
- JetTrain компании Bombardier
- Моторный артиллерийский катер Королевского флота
Турбинные двигатели считаются исключительно популярными среди производителей крупных транспортных средств и/или судов. Эти двигатели популярны из-за их упрощенной конструкции и чрезмерного отношения мощности к весу.
Детали газотурбинного двигателя помогают оптимизировать массовый воздушный поток агрегата, повышая давление и/или сгорание в системе, регулируют как внутреннюю, так и внешнюю температуру, связанную с двигателями, а затем помогают повысить общую эффективность, связанную с работой. двигателя.
Благодаря этим фактам двигатель считается оптимальным выбором для приведения в движение тяжелых судов и транспортных средств, требующих большой мощности.
Хотите купить турбинный двигатель TFE731? Проверьте наш инвентарь!
Мониторинг вибрации газотурбинных двигателей: подходы машинного обучения и их проблемы
Введение
Измерения вибрации обычно считаются надежным 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 свое внимание на повышение надежности и эксплуатационной готовности своего парка с помощью подходов к мониторингу состояния на основе данных о вибрации (King et al., 2009).). Эти методы, как правило, предпочтительнее для стратегий онлайн-мониторинга по сравнению с подходом к моделированию, основанному на физике, когда разрабатывается общая теоретическая модель и в которой ее разработка связана с несколькими предположениями. В случае подходов к мониторингу состояния на основе данных можно построить модель на основе данных двигателя, чтобы можно было зафиксировать присущие линейные и нелинейные зависимости, в зависимости от метода, характерные для отслеживаемой системы. По этой причине производители двигателей видят необходимость реализации таких подходов при проходных испытаниях, где необходимо выявить возможные дефекты на ранней стадии, до того, как произойдет полный отказ компонентов.
Из-за сложных процессов, происходящих в газотурбинном двигателе, а также в связи с тем, что режимы отказа таких систем редко наблюдаются на практике, для разработки модели, управляемой данными, обычно используется парадигма обнаружения новшеств (Тарасенко и др.
, 2009). ), так как в этом случае для обучения нужны только данные, поступающие из работоспособного состояния системы. С другой стороны, 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, использованные 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 объекте, который использовался для испытаний различных альтернативных видов топлива при различном соотношении воздуха и топлива в двигателе, находится Honeywell GTCP85-129., представляющий собой вспомогательную силовую установку типа турбовального газотурбинного двигателя. Таким образом, принцип работы этого двигателя соответствует типичному циклу Брайтона. Как видно из принципиальной схемы двигателя на рисунке 1, двигатель всасывает окружающий воздух из впускного отверстия (1 атм) через центробежный компрессор С1, где он повышает его давление за счет ускорения жидкости и пропускания ее через расширяющуюся секцию. Давление жидкости дополнительно увеличивается во втором центробежном компрессоре C2, после чего смешивается с топливом в камере сгорания (CC) и воспламеняется для добавления энергии в систему (в виде тепла) при постоянном давлении. Газы с высокой температурой и давлением расширяются через турбину, которая приводит в действие два компрессора, генератор G мощностью 32 кВт, который обеспечивает электропитание самолета, и вспомогательное оборудование двигателя (EA), например, топливные насосы, через редуктор.
Рисунок 1 . Принципиальная схема газотурбинного двигателя экспериментальной установки с указанием характерных особенностей.
Выпускной клапан (BV) двигателя позволяет отводить высокотемпературный сжатый воздух (~232°C при абсолютном давлении 338 кПа) в кабину самолета и обеспечивать пневматическую энергию 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. Потеря энергии возникает из-за уменьшения выполненной работы w c 2 к рабочей жидкости двигателя при прохождении второй ступени сжатия. The amount of lost work is proportional to the extracted bleed air mass m bleed and can be expressed as w c 2 = m bleed c p dT , with 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 возникает дефицит 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/g, частота дискретизации 2 кГц ( f s = 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 пределах одного и того же диапазона [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 что.
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 двигателей на основе данных о вибрации, необходимо предпринять три последовательных шага после этапа сбора данных. Это, а именно, предварительная обработка данных, извлечение признаков и разработка обучающей модели нормального поведения двигателя (Тарасенко и др., 2009).).
Предварительная обработка необработанных данных о 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): очень хорошей практикой при работе с алгоритмами машинного обучения является масштабирование анализируемых данных, поскольку большое абсолютное значение диапазоны характеристик будут иметь тенденцию доминировать над теми, у которых диапазоны значений меньше (Hsu et al., 2016). В этом исследовании цель состоит в том, чтобы увеличить разницу в амплитуде вибрации для классов 𝒩 и 𝒜, и, следовательно, данные выбраны для масштабирования в различных тестируемых условиях (а не во времени).
Сначала, D -Dimensional Matrix x = { x 1 ,…, x 11550 N x 11550 N 9 x 11550.
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 1 , …, z L }, содержащий данные обоих классов (25% условий двигателя относятся к классу 𝒜). 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: 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 обучаемая модель могла легко разделить два класса условий работы 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 весы с ≈ 1/частота, а перевод τ относится к операции сдвига во времени. Рассмотрим n состояние 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 ,τ представляет собой 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 длительность во времени, а при с > 1 функция-прототип становится больше во 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 с помощью шкалы j и трансляцией k , которые принимают только значения степеней двойки, а не промежуточные, можно получить удовлетворительное время-частотное 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 использованием этого набора ортогональных вейвлет-основ, как более подробно описано в Farrar и Уорден (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. . 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. Описанный выше процесс был повторен для остальных N — 1 условия двигателя для получения матрицы коэффициентов Рисунок 4 . Схематическая диаграмма пакетного преобразования вейвлета до уровня разложения 2. На каждом уровне частотный спектр разбивается на 2 j поддиапазонов. Матрица вейвлет-коэффициентов C представляет собой D -мерную матрицу, т. е. имеет те же размеры, что и исходный набор данных. 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 . In PCA, the eigenvalues λ k and eigenvectors u k of the covariance matrix S C of C получаются путем решения следующей задачи на собственные значения: SCuk=λkuk, (6) где k = 1, …, D . Y=Cuk=1,2. (7) В Schölkopf et al. (1998) был введен KPCA. Этот метод является обобщенной версией PCA, поскольку скалярные произведения ковариационной матрицы S C заменены функцией ядра. В KPCA отображение ϕ двух точек данных, например, n -й и m -й вектор вейвлет-коэффициентов0111 m соответственно, получается с помощью функции ядра RBF следующим образом: k(cn,cm)=ecn−cm22σKPCA2. (8) Используя приведенное выше отображение, стандартный PCA может быть выполнен в этом новом пространстве признаков ℱ, которое неявно соответствует нелинейному главному компоненту в исходном пространстве. 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 собственные значения ℓ d и собственные векторы ud могут быть вычислены для матрицы ядра 𝒦 (размером N × N ) вместо ковариационной матрицы (размера ℱ × ℱ). Поэтому в KPCA вместо этого требуется найти решение следующей проблемы собственных значений: Kud=ℓdud, (10) , где d = {1, …, N }, так как ℱ > N , количество ненулевых собственных значений не может превышать количество режимов работы двигателя N (Бишоп, 2006 г.). 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 . Машины опорных векторов в качестве инструмента для классификации предлагают гибкость искусственной нейронной сети, преодолевая ее ловушки. 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, где должна располагаться гиперплоскость линейного решения (Schölkopf et al., 2001; Shawe-Taylor and Cristianini, 2004). 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. k(yn,ym)=e−γyn−ym2. (11) После того, как обучающие данные отображаются через ядро RBF, начало координат 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. minw,ρ,ξ 0,5wTw+1υN∑iξi−ρпри условии (wϕ (yi))≥ρ−ξi, i=1,…,N, ξi≥0, (12) , где w — это вектор нормали к гиперплоскости, а ξ называются переменными резерва и используются для количественной оценки ошибки неправильной классификации каждой точки данных отдельно, в соответствии с расстоянием от соответствующей границы. Упомянутое ранее значение ν отвечает за наложение штрафа за неправильную классификацию и ограничено ν ∈ (0, 1]. Решение, которое определяет, является ли невидимая точка данных y∗, т. е. из матрицы Z , принадлежит к любому из двух классов условий работы двигателя, можно определить с помощью следующей функции: gy∗=sgnwϕy∗−ρ. (13) Для точки данных из класса 𝒜 gy∗>0, иначе gy∗≤0. Обратите внимание, что по практическим причинам проблема оптимизации в уравнении. 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. На рисунке 5 мы представляем два показательных результата изменения точности перекрестной проверки 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 этого пространства сетки для ν был сделан на том факте, что этот параметр ограничен, так как он представляет собой верхнюю границу доли обучающих данных, которые лежат на неправильной стороне гиперплоскости [см. 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. 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. • Из-за характера данных существуют большие различия между состояниями двигателя и 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. В этом исследовании мы следовали схеме обнаружения новшеств 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. Ограничения подходов к обнаружению новизны в целом и того, который обсуждается в данном исследовании в частности, включают следующие моменты: данные о тренировочной вибрации, которые можно получить от двигателей, и ограничения конкретных рассмотренных алгоритмов. Для последнего обсуждался выбор ν и γ, и независимый набор тестовых данных, который включал 25% условий нового поведения двигателя, использовался для расчета точности классификации с использованием выбранных ν и γ из поиска по сетке. Несмотря на то, что результаты проверки были исключительно хорошими, и модель, казалось, не соответствовала данным, поскольку граница решения была гладкой, а количество опорных векторов относительно небольшим, точность классификации с использованием набора тестовых данных была неудовлетворительной. 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. 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. Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов. Авторы хотели бы поблагодарить сотрудников Центра низкоуглеродного горения Университета Шеффилда за проведение экспериментов с газотурбинным двигателем и за любезно предоставленные данные о вибрации двигателя, использованные в этом исследовании. IM является аспирантом, финансируемым 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. 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 CrossRef Полный текст | Google Scholar Бишоп, К. (2006). Распознавание образов и машинное обучение (информатика и статистика) . Нью-Йорк: Спрингер. Google Scholar 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 Полный текст CrossRef | Google Scholar Чанг К. Полный текст CrossRef | Google Scholar Клифтон Д. А., Баннистер П. Р. и Тарасенко Л. (2006). «Применение интуитивно понятной метрики новизны для мониторинга состояния реактивного двигателя», в Достижения в области прикладного искусственного интеллекта , редакторы М. Али и Р. Дапуаньи (Берлин, Гейдельберг: Springer), 1149–1158. Google Scholar 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. doi:10.1109/TR.2014.2315911 CrossRef Полный текст | Google Scholar Клифтон Л., Инь Х., Клифтон Д. и Чжан Ю. (2007). «Обнаружение новизны комбинированного опорного вектора для многоканальных данных о сгорании», в Международная конференция IEEE по сетям, датчикам и управлению , Лондон. Google Scholar Фан, 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 Полный текст CrossRef | Google Scholar Фаррар, К., и Уорден, К. (2012). Мониторинг состояния конструкций: перспектива машинного обучения . Чичестер: Джон Вили и сыновья. Google Scholar 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. Google Scholar 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 | Google Scholar Сюй К. Google Scholar Ющак П., Такс Д. и Дуин Р. П. В. (2002). «Масштабирование признаков в описании данных опорного вектора», в Proc. ASCI , Лохем. Google Scholar Кинг С., Баннистер П. Р., Клифтон Д. А. и Тарасенко Л. (2009 г.). Вероятностный подход к контролю состояния авиационных двигателей. Проц. Инст. мех. англ. Г. Дж. Аэросп. англ. 223, 533–541. doi:10.1243/09544100JAERO414 CrossRef Полный текст | Google Scholar Маллат, С. (1989). Теория разложения сигналов с несколькими разрешениями: вейвлет-представление. IEEE Trans. Анальный узор. Мах. Интел. 11, 674–693. doi:10.1109/34.192463 Полный текст CrossRef | Google Scholar Маллат, С. (1999). Вейвлет-тур по обработке сигналов (вейвлет-анализ и его приложения) . Нью-Йорк: Академическая пресса. Google Scholar 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 Полный текст CrossRef | Google Scholar Schölkopf, B., Platt, JC, Shawe-Taylor, J., Smola, AJ, and Williamson, R.C. (2001). Оценка поддержки многомерного распределения. Нейронные вычисления. 10, 1443–1471. doi:10.1162/089976601750264965 PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar Шолкопф Б. и Смола А. (2001). Обучение с помощью ядер: машины опорных векторов, регуляризация, оптимизация и не только . Кембридж: MIT Press. Google Scholar Шёлкопф Б., Смола А. и Мюллер К. (1998). Нелинейный компонентный анализ как проблема собственных значений ядра. Нейронные вычисления. 10, 1299–1319. doi:10.1162/089976698300017467 Полный текст CrossRef | Google Scholar Шоу-Тейлор, Дж., и Кристианини, Н.
Эта итеративная процедура известна как двухканальное кодирование поддиапазонов (Mallat, 19).99) и предоставляет 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 представлена на рисунке 4. Сначала сигнал χ n ( t ) свернут с полуполосным фильтром нижних частот h ( k ) и фильтром верхних частот g ( k ). Это дает вектор вейвлет-коэффициентов c 1,1 , который захватывает низкочастотное содержимое [0, f s /4] Гц, и вектор вейвлет-коэффициентов c 
После J Уровни разложения коэффициенты из вывода каждого фильтра собираются на матрице C N , что соответствует N TH Condition χ 1115501501501. N Низкоразмерные признаки
Следовательно, признаки более низкой размерности необходимы для предотвращения переобучения, связанного с более высокими размерностями признаков. В этом исследовании PCA изначально использовался для целей визуализации, например, для наблюдения за возможными кластерами точек данных для матрицы X . Его нелинейный эквивалент, KPCA, используется для уменьшения размерности, чтобы можно было зафиксировать нелинейные отношения между функциями.
Собственный вектор u 1 , соответствующий наибольшему собственному значению λ 1 , является первой главной компонентой, и так далее. Двумерное представление C , т. е. Y (матрица N × k ), может быть вычислено посредством линейной проекции с использованием первых двух собственных векторов:
Следовательно, скалярные произведения ковариационной матрицы заменяются ядром РБФ следующим образом:
Модель обучения для обнаружения новинок
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 так же, как и 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:
Чтобы отделить все нанесенные на карту точки данных от начала координат, необходимо решить следующую квадратичную программу:
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
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 тех 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.
подробнее в 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.
Малоразмерные признаки), только с уровнем разложения WPC j = ширина 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.
Можно продемонстрировать, что α ν может быть значительно увеличено по сравнению с фиксированным набором значений по умолчанию. Набор инструментов LIBSVM предлагает значения по умолчанию, равные ν = 9.0111 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 могут быть «настроены» таким образом, чтобы точность проверки могла быть максимальной, 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.
Например, в Xiao et al. (2015) авторы представили методы выбора ширины ядра γ OCSVM с помощью того, что они называют «геометрическими» расчетами. Заключение
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 нового 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.
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.
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
Заявление о конфликте интересов
Благодарности
Финансирование
Ссылки
и Лин К. (2011). LIBSVM: библиотека для машин опорных векторов. ACM Trans. Интел. Сист. Технол. 2, 1–27. doi:10.1145/1961189.1961199
, Чанг К. и Лин К. (2016). Практическое руководство по классификации опорных векторов . Тайбэй: факультет компьютерных наук Тайваньского национального университета.
