Συμβολή στη διάγνωση βλαβών αεριοστροβίλων με χρήση μεθόδων ανάλυσης μετρήσεων ταχείας απόκρισης

Abstract

This Doctoral Dissertation is in the area of gas turbine diagnostics using dynamic (fast response) measurements, and in general in the decision support systems domain. In particular, we investigate the possibility of diagnosing blading and combustion chamber faults, and then we develop methods for the automation of the diagnosis as well as for the design and optimization of fault diagnosis systems.In this direction initially a number of theoretical studies have been conducted for assessing the possibilities of diagnosing the above types of faults. Models of various signals were constructed, both for healthy operation as well as for operation with these faults. From these studies useful conclusions were drawn concerning the diagnostic information that these signals contain and its basic characteristics.Based on these conclusions were designed and conducted two series of realistic experiments in an industrial gas turbine. The first series of experiments concerned the healthy operation of the engine, and aimed at the study of the basic characteristics of various kinds of signals. The second series of experiments concerned the faulty operation of the engine, and aimed at the study of the behavior of the above signals in this case. A number of representative blading and combustion chamber faults were artificially introduced in the above industrial gas turbine. During these experiments were acquired signals of pressure, vibration, sound and shaft displacement at the bearings, in different operating points. These signals were processed using various different methods both in the time and in the frequency domain. From them were resulted: 1. the main characteristics of these signals, the main physical phenomena affecting them, as well as their dependence on the operating point. 2. The main characteristics of the diagnostic information they contain.Then a more detailed quantitative study and analysis of the diagnostic information of these signals. In this direction were developed methods for the quantitative comparison of corresponding signals of healthy operation and operation with the faults, and for the processing of the produced from this comparison ‘signatures’ of these faults. These methods allow the quantitative analysis of the diagnostic information of the signals, with respect to the diagnosis of fault existence, as well as the recognition of the specific fault. These methods were applied to the experimental signals. The conclusions were used as foundation for the development of a series of methods for automated fault diagnosis. In particular, initially a method was developed for the automated diagnosis of fault existence. Next, two alternative methods for the automated fault recognition were developed, with the first of them being of geometric and the second of statistical nature. For the case of faults of individual rotor blades was developed a method for the identification of the specific faulted blade. Next, a method was developed for the optimization of the parameters used for the diagnosis. Beyond the above diagnostic methods, the problem of the design of diagnostic systems was also investigated. In this direction was developed a method for the quantitative assessment of the diagnostic information and the diagnostic capabilities of different measurement instruments. This method allows the comparison of different measurement instruments with respect to their diagnostic capabilities, and the selection of the least possible and most appropriate ones for the diagnosis, which is very important both for operational and operational reasons. Furthermore, we developed a quantitative method for the assessment of substituting the measurement of diagnostically useful signals, with their reconstruction using other signals. The above methods were applied in the experimental signals, and this was quite successful.The above methodologies are designed so that they are complementary with respect to the diagnostic information they provide, and also there is compatibility among them. For this reason their synthesis is feasible, so that they constitute components of an expert diagnostic system for supporting maintenance decisions. They fulfil the needs of both faults diagnosis and diagnostic systems design. Therefore they are a useful tool for the support of decision making concerning the maintenance of gas turbines, and machinery in general, which can meet modern needs.

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή ευρίσκεται στην περιοχή της Διαγνωστικής αεριοστροβίλων με δυναμικές μετρήσεις. Συγκεκριμένα διερευνώνται οι δυνατότητες διάγνωσης βλαβών πτερύγωσης και θαλάμου καύσης από διάφορα είδη δυναμικών μετρήσεων, και συγκροτούνται μέθοδοι αυτοματοποίησης της διάγνωσης καθώς και μέθοδοι σχεδιασμού και βελτιστοποίησης των διαγνωστικών συστημάτων. Στα πλαίσια αυτά αρχικά πραγματοποιήθηκε μία σειρά θεωρητικών μελετών γιά την εκτίμηση των δυνατοτήτων διάγνωσης των παραπάνω κατηγοριών βλαβών. Συγκροτήθηκαν μοντέλλα διαφόρων σημάτων, τόσο γιά την υγιή λειτουργία όσο και γιά την λειτουργία με βλάβες. Από τις μελέτες αυτές προέκυψαν χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με την διαγνωστική πληροφορία η οποία περιέχεται στα σήματα αυτά, καθώς και τα βασικά χαρακτηριστικά της. Με βάση τα συμπεράσματα αυτά ακολούθως σχεδιάσθηκαν και πραγματοποιήθηκαν δύο σειρές ρεαλιστικών πειραμάτων σε βιομηχανικό αεριοστρόβιλο.Η πρώτη σειρά των πειραμάτων αφορούσε την υγιή λειτουργία της μηχανής και· σκοπό είχε την μελέτη των βασικών χαρακτηριστικών διαφόρων κατηγοριών σημάτων. Η δεύτερη σειρά των πειραμάτων αφορούσε την λειτουργία της μηχανής με βλάβες, και σκοπό είχε την μελέτη της συμπεριφοράς των παραπάνω σημάτων στην περίπτωση αυτή. Πραγματοποιήθηκε τεχνητή πρόκληση μίας σειράς αντιπροσωπευτικών βλαβών πτερύγωσης και θαλάμου καύσης στον παραπάνω βιομηχανικό αεριοστρόβιλο.Κατά την διάρκεια των πειραμάτων προσκτήθηκαν σήματα πίεσης, κραδασμών, ήχου και μετατόπισης ατράκτου στα έδρανα, σε διάφορα σημεία λειτουργίας. Τα σήματα αυτά υπέστησαν μία σειρά από επεξεργασίες τόσο στο πεδίο του χρόνου όσο και στο πεδίο της συχνότητος. Από αυτές προέκυψαν:1.τα βασικά χαρακτηριστικά των σημάτων, τα κυριότερα φυσικά φαινόμενα από τα οποία αυτά επηρεάζονται και η εξάρτηση τους από το σημείο λειτουργίας.2.τα βασικά χαρακτηριστικά της περιεχόμενης στα παραπάνω σήματα διαγνωστικής πληροφορίας.Ακολούθησε μία ποσοτικού χαρακτήρα μελέτη και ανάλυση της διαγνωστικής πληροφορίας των σημάτων. Προς την κατεύθυνση αυτή συγκροτήθηκαν μέθοδοι ποσοτικής σύγκρισης αντιστοίχων σημάτων της υγιούς λειτουργίας και της λειτουργίας με τις βλάβες, και ακολούθως επεξεργασίας των προκυπτουσών από την σύγκριση αυτή «υπογραφών» των βλαβών. Οι μέθοδοι αυτές επιτρέπουν την ποσοτική ανάλυση της διαγνωστικής πληροφορίας των σημάτων, ως προς τις παρεχόμενες δυνατότητες διάγνωσης της ύπαρξης βλάβης καθώς και αναγνώρισης της συγκεκριμένης βλάβης. Οι μέθοδοι εφαρμόσθηκαν στα πειραματικά σήματα. Τα συμπεράσματα τα οποία προέκυψαν απετέλεσαν την βάση γιά την συγκρότηση στην συνέχεια μίας σειράς μεθόδων αυτοματοποιημένης διάγνωσης βλαβών.Συγκεκριμένα συγκροτήθηκε αρχικά μέθοδος αυτοματοποιημένης διάγνωσης της ύπαρξης βλάβης. Κατόπιν συγκροτήθηκαν δύο εναλλακτικές μέθοδοι αυτοματοποιημένης αναγνώρισης βλάβης, από τις οποίες η μία είναι γεωμετρικής και η άλλη στατιστικής φύσεως. Γιά την περίπτωση βλαβών μεμονωμένων πτερυγίων ρότορος δημιουργήθηκε επίσης μέθοδος εντοπισμού των συγκεκριμένων πτερυγίων όπου υπάρχει βλάβη. Ακολούθησε μέθοδος βελτιστοποίησης της επιλογής των χρησιμοποιουμένων γιά την διάγνωση παραμέτρων. Πέραν των παραπάνω μεθόδων διάγνωσης, εξετάσθηκε επίσης και το πρόβλημα του σχεδιασμού των διαγνωστικών συστημάτων. Προς την κατεύθυνση αυτή συγκροτήθηκε μέθοδος ποσοτικής αποτίμησης της διαγνωστικής πληροφορίας και των δυνατοτήτων διάγνωσης μετρητικών οργάνων. Η μέθοδος αυτή επιτρέπει την σύγκριση διαφόρων μετρητικών οργάνων ως προς τις διαγνωστικές δυνατότητες, και την επιλογή των ελάχιστων δυνατών και καταλληλότερων από αυτά γιά την διάγνωση, πράγμα ιδιαίτερα σημαντικό τόσο γιά οικονομικούς όσο και γιά λειτουργικούς λόγους. Συγκροτήθηκε επίσης μια ποσοτικού χαρακτήρα μέθοδος αποτίμησης των δυνατοτήτων υποκατάστασης της μέτρησης χρήσιμων διαγνωστικά σημάτων, με την ανασύνθεση τους από άλλα σήματα. Ακολούθησε η εφαρμογή όλων των παραπάνω μεθόδων στα πειραματικά σήματα, η οποία αποδείχθηκε ιδιαίτερα επιτυχής. Οι παραπάνω μεθοδολογίες είναι σχεδιασμένες έτσι ώστε να είναι συμπληρωματικές ως προς την παρεχομένη διαγνωστική πληροφορία και συμβατές μεταξύ τους. Για τον λόγο αυτό είναι δυνατή η σύνθεση τους, ώστε να αποτελέσουν συνιστώσες εvóς εμπείρου διαγνωστικού συστήματος. Καλύπτουν τις ανάγκες τόσο της διάγνωσης βλαβών όσο και του σχεδιασμού διαγνωστικών συστημάτων.Με αυτόν τον τρόπο αποτελούν ένα ιδιαίτερα χρήσιμο εργαλείο υποστήριξης της λήψης αποφάσεων σχετικά με την συντήρηση αεριοστροβίλων και γενικότερα μηχανολογικών εγκαταστάσεων, το οποίο ικανοποιεί τις σύγχρονες απαιτήσεις.