Способы и системы разработки технологии вероятностной оценки срока службы на основе опытных данных - RU2459229C2

Чертежи

Показать все 9 чертежа(ей)

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится, в общем, к технологиям оценки срока службы и, в частности, к способам и системам разработки технологии вероятностной оценки срока службы вращающегося оборудования на основании стратегий эксплуатации.

Оценка срока службы компонентов обычно представляет собой процедуру оценки эксплуатационных сроков службы компонентов. Оценки срока службы компонентов часто основаны на рекомендациях фирмы-производителя и на технических характеристиках изделия. Однако, известные эмпирические определения стратегии эксплуатации, также именуемые "номенклатурами задач" для газотурбинных двигателей, указанные в технических характеристиках изделия, могут привести к тому, что расчетные критерии компонентов газотурбинных двигателей оказываются основанными на непроверенной информации. Например, использование известных эмпирических номенклатур задач может привести к тому, что полученное в результате оценки количество часов работы газотурбинного двигателя за год превышает общее количество часов в году, что невозможно. В результате, использование известных эмпирических номенклатур задач для газотурбинных двигателей может привести к тому, что конструкция изделия или компонента оказывается спроектированной с чрезмерным запасом прочности для удовлетворения критериев завышенного расчетного срока службы. Такие критерии расчетного срока службы могут привести к увеличению затрат на конструкторские работы и себестоимость производства.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном из вариантов осуществления изобретения предложен способ облегчения процедуры вероятностной оценки срока службы. Способ содержит следующие этапы, на которых: получают эксплуатационные данные, по меньшей мере, для одного газотурбинного двигателя, задают множество кривых охлаждения, по меньшей мере, для одного газотурбинного двигателя, определяют множество различных типов запуска, по меньшей мере, одного газотурбинного двигателя, и выводят формулу, по меньшей мере, для одного газотурбинного двигателя. Способ также содержит следующие этапы, на которых: определяют стратегию эксплуатации и устанавливают расчетный срок службы, по меньшей мере, для одного газотурбинного двигателя, выводят, по меньшей мере, одну гистограмму и вероятностную модель с использованием эксплуатационных данных и определяют номенклатуру задач для стратегии эксплуатации путем выполнения имитационного моделирования этой вероятностной модели совместно с данными о расходовании срока службы по циклам, по меньшей мере, для одного газотурбинного двигателя.

В другом варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, предложена система для облегчения процедуры вероятностной оценки срока службы на основании номенклатуры задач для систем и подсистем газотурбинных двигателей. Система содержит, по меньшей мере, один компьютер, сконфигурированный как сервер, причем этот сервер содержит базу данных и сконфигурирован таким образом, что обеспечивает сохранение в базе данных эксплуатационных данных, по меньшей мере, для одного газотурбинного двигателя, множество кривых охлаждения, по меньшей мере, для одного газотурбинного двигателя, данных о множестве различных типов запуска, по меньшей мере, для одного газотурбинного двигателя, данных, по меньшей мере, об одной стратегии эксплуатации и данных о расчетном сроке службы, по меньшей мере, одного газотурбинного двигателя. Сервер также сконфигурирован таким образом, что анализирует эксплуатационные данные, сохраненные в базе данных, выводит, по меньшей мере, одну гистограмму и, по меньшей мере, одну вероятностную модель с использованием эксплуатационных данных и обеспечивает сохранение в базе данных, по меньшей мере, одной гистограммы и, по меньшей мере, одной вероятностной модели, определяет номенклатуру задач, по меньшей мере, для одной стратегии эксплуатации, выполняет имитационное моделирование этой, по меньшей мере, одной вероятностной модели совместно с данными об израсходованном сроке службы газотурбинного двигателя по циклам, по меньшей мере, для одного газотурбинного двигателя, и получает распределение вероятности для общего израсходованного срока службы по циклам путем распространения израсходованного срока службы на расчетный срок службы, по меньшей мере, одного газотурбинного двигателя.

В еще одном варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, предложено устройство для облегчения процедуры вероятностной оценки срока службы газотурбинного двигателя на основании номенклатуры задач. Устройство содержит средство сохранения эксплуатационных данных, по меньшей мере, для одного газотурбинного двигателя, множества кривых охлаждения, по меньшей мере, для одного газотурбинного двигателя, данных о множестве различных типов запуска, по меньшей мере, для одного газотурбинного двигателя, данных, по меньшей мере, об одной стратегии эксплуатации и данных о расчетном сроке службы, по меньшей мере, одного газотурбинного двигателя. Устройство также содержит средство анализа эксплуатационных данных, хранящихся в базе данных, средство для вывода, по меньшей мере, одной гистограммы и, по меньшей мере, одной вероятностной модели с использованием эксплуатационных данных и средство сохранения, по меньшей мере, одной гистограммы и, по меньшей мере, одной вероятностной модели, средство определения номенклатуры задач, по меньшей мере, для одной стратегии эксплуатации, средство выполнения имитационного моделирования, по меньшей мере, одной вероятностной модели, совместно с данными об израсходованном сроке службы по циклам и средство вычисления израсходованного срока службы во время имитационного моделирования с использованием данных об израсходованном сроке службы по циклам.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг.1 показана упрощенная блок-схема приведенной в качестве примера серверной архитектуры интерфейса пользователя для процедуры оценки срока службы компонентов, ИППОССК (CLPUI);

на Фиг.2 показана подробная блок-схема приведенной в качестве примера серверной архитектуры, которая может быть использована для реализации системы ИППОССК;

на Фиг.3 изображен график, на котором показан диапазон приведенных в качестве примера кривых охлаждения для газотурбинного двигателя, который приведен в качестве примера;

на Фиг.4 изображен график, на котором показана кривая зависимости спрогнозированного израсходованного срока службы при каждом запуске для газотурбинного двигателя, приведенного в качестве примера;

на Фиг.5 изображен график, на котором показан альтернативный вариант осуществления кривой зависимости израсходованного срока службы при каждом запуске для газотурбинного двигателя, приведенной в качестве примера;

на Фиг.6 изображен график, на котором показан пример распределения вероятности для приведенной в качестве примера стратегии эксплуатации газотурбинного двигателя;

на Фиг.7 изображен график, на котором показано другое распределение вероятности для альтернативной стратегии эксплуатации газотурбинного двигателя;

на Фиг.8 изображен график, на котором показано множество приведенных в качестве примера распределений вероятности для стратегий эксплуатации газотурбинного двигателя, наложенных друг на друга; и

на Фиг.9 изображена схема последовательности операций, на которой проиллюстрированы приведенные в качестве примера процедуры, в которых используют ИППОССК.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Описанные здесь способы и системы облегчают процедуру вероятностной оценки срока службы газотурбинного двигателя на основании номенклатуры задач. Используемый здесь термин "номенклатура задач" ("mission mix") относится к стратегии эксплуатации машины, которая определяет параметры использования машины в течение ее срока службы. Термин "номенклатура задач" также может относиться к параметрам, воздействию которых машина подвергалась при прошлых режимах эксплуатации. Например, газотурбинный двигатель может использоваться в режимах базовой нагрузки, при которых это устройство имеет относительно небольшое количество циклов охлаждения/повторного запуска в течение ее срока службы. Газотурбинный двигатель также может использоваться для применения при пиковых нагрузках, когда установка ежедневно подвержена воздействию циклов, по меньшей мере, частичного охлаждения и повторного запуска. Газотурбинный двигатель также может подвергаться воздействию комбинации этих стратегий эксплуатации в зависимости от нагрузки системы и сезонных потребностей. Полагают, что описанные здесь способы и системы применимы для многих различных газотурбинных двигателей и для многих различных типов компонентов, входящих в состав газотурбинных двигателей. Описанный здесь вариант осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, относится к области техники, связанной с выработкой электроэнергии, однако, настоящее изобретение никоим образом не ограничено его использованием только лишь в отрасли, связанной с выработкой электроэнергии. Например, настоящее изобретение также может быть использовано для облегчения процедуры вероятностной оценки срока службы на основании номенклатуры задач для любых газотурбинных двигателей в коммунальном хозяйстве, в промышленности или для газотурбинных двигателей, используемых в качестве механического привода.

Ниже приведено подробное описание приведенных в качестве примеров вариантов осуществления систем, облегчающих процедуру вероятностной оценки срока службы газотурбинного двигателя на основании номенклатуры задач. Эти системы облегчают, например, использование анализа эксплуатационных данных для увеличения расчетного срока службы газотурбинного двигателя. Один из технических эффектов описанных здесь систем включает в себя вычисление ожидаемого общего срока службы, израсходованного в течение общей продолжительности эксплуатации газотурбинного двигателя. В частности, в варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, предприятия, занимающиеся производством газотурбинных двигателей и компонентов газотурбинных двигателей, или другие организации, занимающиеся коммерческой деятельностью в области снабжения компонентами газотурбинных двигателей, могут использовать способы и системы из приведенного в качестве примера варианта осуществления изобретения для вычисления ожидаемого общего срока службы газотурбинного двигателя или компонентов в газотурбинном двигателе в течение продолжительности эксплуатации газотурбинного двигателя. В варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, пользователи системы интерфейса пользователя для процедуры оценки срока службы компонентов, ИППОССК (CLPUI), способны выполнять множество задач, таких как, например, вычисление ожидаемого общего срока службы газотурбинного двигателя, израсходованного в течение продолжительности эксплуатации газотурбинного двигателя, но этот пример не является ограничивающим признаком.

В варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, анализируют эксплуатационные данные в рабочих условиях для распознавания тенденций или шаблонов, которые могут обеспечить понимание реальных стратегий эксплуатации различных газотурбинных двигателей. В частности, используя анализ эксплуатационных и рабочих данных из репрезентативной выборки газотурбинных двигателей, получают номенклатуры задач. Определяют стратегии эксплуатации для различных подмножеств, соответствующих различным стратегиям, и разрабатывают статистические модели различных стратегий эксплуатации, собирая, таким образом, данные об ожидаемых изменениях, происходящих в реальных условиях работы. Поскольку модели разрабатывают с использованием реальных данных, то общее время эксплуатации является меньшим или равным количеству часов в году. Кроме того, оценку израсходованного срока службы компонентов производят с учетом кривых охлаждения, полученных из работающих газотурбинных двигателей в месте их эксплуатации, что, следовательно, обеспечивает полезное использование эксплуатационных данных во время процесса проектирования.

В одном из вариантов осуществления изобретения компьютерная программа реализована на считываемом посредством компьютера носителе информации, и в ней используют язык структурированных запросов (SQL) с интерфейсом пользователя для административного управления и интерфейс для стандартного ввода данных и генерации отчетов. В другом варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, компьютерная программа может быть создана с использованием средства программирования электронных таблиц Excel фирмы Майкрософт (Microsoft) для выполнения вычислений и генераций отчетов. В варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, система работает в интрасети предприятия. В еще одном варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, система работает в среде Windows® NT (Windows - зарегистрированный товарный знак фирмы Майкрософт Корпорейшн (Microsoft Corporation), г.Редмонд, штат Вашингтон, США). Эта прикладная программа является «гибкой» и разработана для ее выполнения во многих различных средах без какого-либо ухудшения ее функциональных возможностей.

Системы и способы не ограничены описанными здесь конкретными вариантами осуществления изобретения. Кроме того, компоненты каждой системы и каждого способа могут быть реализованы на практике независимо и отдельно от других описанных здесь компонентов и способов. Каждый компонент и способ также могут быть использованы в комбинации с другими сборочными узлами и способами.

На Фиг.1 показана упрощенная блок-схема системы 12 интерфейса пользователя для процедуры оценки срока службы компонентов, ИППОССК (CLPUI), содержащей серверную систему 18 и множество клиентских подсистем, также именуемых клиентскими системами 20, которые соединены с серверной системой 18. Компьютеризированные инструментальные средства моделирования и группирования, более подробное описание которых приведено ниже, хранятся в сервере 18, и доступ к ним может быть осуществлен запрашивающей стороной с любого из компьютеров 20. Сервер 22 базы данных соединен с базой 24 данных, содержащей информацию о множестве фактов, более подробное описание которых приведено ниже. В одном из вариантов осуществления изобретения в серверной системе 18 хранится централизованная база 24 данных, и доступ к ней может быть осуществлен потенциальными пользователями из одной из клиентских систем 20 путем входа в серверную систему 18 через одну из клиентских систем 20. В альтернативном варианте осуществления изобретения база 24 данных хранится удаленно от серверной системы 18 и может являться нецентрализованной.

На Фиг.2 показана подробная блок-схема приведенного в качестве примера варианта осуществления серверной архитектуры системы 26 интерфейса пользователя для процедуры оценки срока службы компонентов (ИППОССК). Компоненты в системе 26 ИППОССК, являющиеся идентичными компонентам системы 12 (показанной на Фиг.1), обозначены на Фиг.2 с использованием тех же самых номеров позиций, которые были использованы на Фиг.1. Система 26 ИППОССК содержит серверную систему 18 и клиентские системы 20. Кроме того, серверная система 18 содержит сервер 22 базы данных, сервер 28 прикладных программ, Web-сервер 30, факс-сервер 32, сервер 34 каталогов и почтовый сервер 36. Дисковый накопитель 38 связан с сервером 22 базы данных и с сервером 34 каталогов. Серверы 22, 28, 30, 32, 34 и 36 соединены в локальную сеть (ЛС) 40. Кроме того, с ЛС 40 соединены следующие рабочие станции: рабочая станция 42 системного администратора, рабочая станция 44 пользователя и рабочая станция 46 руководителя. В альтернативном варианте рабочие станции 42, 44 и 46 соединены с ЛС 40 с использованием сети Интернет или соединены через интрасеть.

Каждая рабочая станция 42, 44 и 46 представляет собой персональный компьютер, снабженный программой навигации и просмотра web-страниц (web-браузером). Несмотря на то что функции, обычно выполняемые в рабочих станциях, проиллюстрированы как выполняемые в соответствующих рабочих станциях 42, 44 и 46, такие функции могут выполняться в одном из многих персональных компьютеров, соединенных с ЛС 40. Рабочие станции 42, 44 и 46 проиллюстрированы как связанные с отдельными функциями только лишь для того, чтобы облегчить понимание различных типов функций, которые могут выполняться отдельными лицами, имеющими доступ к ЛС 40.

Серверная система 18 сконфигурирована таким образом, что является соединенной с различными людьми, в том числе, со служащими 48 и с третьими лицами, например, с клиентами/заказчиками 52, способом, обеспечивающим связь между ними, с использованием соединения 54 с сетью Интернет, предоставляемого поставщиком услуг сети Интернет (ПУИ). В варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, обмен информацией проиллюстрирован как осуществляемый с использованием сети Интернет, однако, в других вариантах осуществления изобретения для обмена информацией может быть использована любая другая глобальная сеть (ГС), то есть, практическая реализация систем и способов не ограничена использованием сети Интернет. Кроме того, вместо ГС 50 может использоваться локальная сеть 40, а не ГС 50.

В варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, доступ к системе 26 ИППОССК может осуществлять любое уполномоченное физическое лицо, имеющее рабочую станцию 56. По меньшей мере, одна из клиентских систем содержит рабочую станцию 58 управляющего. Рабочие станции 56 и 58 представляют собой персональные компьютеры, сконфигурированные таким образом, что поддерживают связь с серверной системой 18. Кроме того, факс-сервер 32 поддерживает связь с клиентскими системами, в том числе, с клиентской системой 58, с использованием линии телефонной связи. Факс-сервер 32 сконфигурирован таким образом, что также поддерживает связь с другими клиентскими системами 42, 44, и 46.

Рабочие станции 42, 44, 46, 56 и 58 содержат компьютеры, которые могут содержать такие устройства, как, например, накопитель на гибких магнитных дисках или дисковод для компакт-дисков, предназначенные для считывания данных, в том числе, способы быстрого и точного доступа к имеющейся информации со считываемого посредством компьютера носителя информации, например, с гибкого магнитного диска, с постоянного запоминающего устройства на компакт-диске (CD-ROM), с магнитооптического диска (MOD) или с универсального цифрового диска (DVD), но эти примеры не являются ограничивающим признаком. Кроме того, рабочие станции 42, 44, 46, 56 и 58 содержат дисплеи, например, жидкокристаллические дисплеи (ЖКД), электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) и цветные видеомониторы, но эти примеры не являются ограничивающим признаком. Кроме того, рабочие станции 42, 44, 46, 56 и 58 содержат устройства ввода данных, например, манипулятор типа "мышь" (на чертеже не показан), клавиатуру (на чертеже не показана) и графический интерфейс пользователя (на чертеже не показан), но эти примеры не являются ограничивающим признаком.

Сервер 28 прикладных программ содержит процессор (на чертеже не показан) и запоминающее устройство (на чертеже не показано). Следует понимать, что используемый здесь термин "процессор" не ограничен только теми интегральными схемами, которые именуют процессором в данной области техники, но в расширенном толковании относится к компьютеру, к микроконтроллеру, к микрокомпьютеру, к программируемому логическому контроллеру, к специализированной интегральной микросхеме и к любой другой программируемой схеме. Также следует понимать, что процессор выполняет команды, хранящиеся в сервере 28 прикладных программ. Вышеупомянутые примеры приведены только лишь в качестве иллюстративных примеров, и, следовательно, подразумевают, что они никоим образом не ограничивают определение и/или смысл термина "процессор".

Запоминающее устройство (на чертеже не показано) может содержать любую надлежащую комбинацию перезаписываемых энергозависимых или энергонезависимых запоминающих устройств, либо не перезаписываемых или постоянных запоминающих устройств. Перезаписываемое запоминающее устройство, вне зависимости от того, является ли оно энергозависимым или энергонезависимым, может содержать любое количество статических или динамических оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), гибкий диск и соответствующий дисковод, оптический диск с однократной записью или перезаписываемый оптический диск и соответствующий дисковод, накопитель на жестких дисках, флэш-память или аналогичные устройства. Аналогичным образом, не перезаписываемое или постоянное запоминающее устройство может быть реализовано с использованием любого одного или большего количества постоянных запоминающих устройств (ПЗУ), программируемых постоянных запоминающих устройств (ППЗУ), стираемых программируемых постоянных запоминающих устройств (СППЗУ), электрически стираемых программируемых постоянных запоминающих устройств (ЭСППЗУ), постоянных запоминающих устройств на оптических дисках, например, постоянного запоминающего устройства на компакт-диске (CD-ROM) или постоянного запоминающего устройства на универсальном цифровом диске (DVD-ROM), и соответствующего дисковода или аналогичного устройства.

На Фиг.3 изображен график, на котором показан диапазон приведенных в качестве примера кривых охлаждения для газотурбинного двигателя, который приведен в качестве примера. В частности, кривая 60 самого медленного охлаждения и кривая 62 самого быстрого охлаждения изображены на графике как функция температуры 64 и времени 66 после остановки. Кривые 60 и 62 охлаждения представляют собой характеристики охлаждения одного и того же газотурбинного двигателя. Кроме того, следует понимать, что газотурбинные двигатели различных типов могут иметь различные характеристики охлаждения, что приводит к соответственно различным кривым 60 и 62 охлаждения. Кроме того, следует понимать, что на характеристики охлаждения газотурбинных двигателей оказывают влияние такие факторы, как, например, количество и тип материала, используемого при изготовлении газотурбинного двигателя, температурные условия окружающей среды и режим работы газотурбинного двигателя, но эти примеры не являются ограничивающим признаком. Например, чем больше металлических деталей содержит газотурбинный двигатель, тем, как правило, более длительное время требуется для охлаждения газотурбинного двигателя.

Как правило, работа в условиях более высокой температуры окружающей среды приводит к увеличению времени охлаждения газотурбинного двигателя, и работа в условиях более низкой температуры окружающей среды приводит к уменьшению времени охлаждения газотурбинного двигателя. На значения температуры окружающей среды могут оказывать влияние такие факторы, как, например, местоположение газотурбинного двигателя в энергетической системе, сезон и/или географическое местоположение газотурбинного двигателя, но эти примеры не являются ограничивающим признаком. Например, газотурбинные двигатели могут подвергаться воздействию условий более теплой окружающей среды, когда они расположены в непосредственной близости от устройств, вырабатывающих тепло, например, от бойлеров, на электростанциях, когда они расположены в географических регионах с более теплым климатом и/или когда они подвергаются воздействию более высоких температур в течение летних месяцев. Таким образом, кривые 60 более медленного охлаждения могут отображать охлаждение конкретного газотурбинного двигателя в течение летних месяцев, а кривая 62 более быстрого охлаждения может отображать охлаждение того же самого газотурбинного двигателя в течение зимних месяцев. Следует понимать, что вероятностный подход к оценке срока службы газотурбинных двигателей учитывает, по существу, все факторы, которые могут влиять на характеристики охлаждения газотурбинного двигателя.

Область 68 между кривыми 60 и 62, которые служат ее границами, отображает диапазон возможных характеристик охлаждения для конкретного газотурбинного двигателя. Анализ эксплуатационных данных конкретного газотурбинного двигателя позволяет задавать возможные изменения кривой охлаждения между кривой 60 самого медленного охлаждения и кривой 62 самого быстрого охлаждения. Например, в варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, исходя из эксплуатационных данных, может быть создано распределение вероятности, отражающее вероятную температуру газотурбинного двигателя в любой момент времени после ее остановки. В частности, в варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, для определения температуры между кривой 60 самого медленного охлаждения и кривой 62 самого быстрого охлаждения для любого времени после остановки выведено гауссово распределение вероятности. Например, спустя девяносто часов после остановки, температура газотурбинного двигателя может принимать значения в интервале от, приблизительно, 200°F (градусов Фаренгейта) до, приблизительно, 400°F. Для определения температуры газотурбинного двигателя спустя девяносто часов после остановки используют распределение вероятности, созданное для момента времени, равного девяноста часам после остановки. Поскольку используют гауссово распределение вероятности, то наиболее вероятно, что температура спустя девяносто часов после остановки должна быть равной, приблизительно, 300°F. Следует понимать следующее: несмотря на то, что в варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, для определения температуры газотурбинного двигателя между кривой 60 самого медленного охлаждения и кривой 62 самого быстрого охлаждения используют гауссово распределение вероятности, в других вариантах осуществления изобретения может использоваться распределение вероятности любого другого типа, облегчающее описанную здесь процедуру оценки срока службы.

Каждая кривая охлаждения 60 и 62 включает в себя максимальную температуру в момент остановки газотурбинного двигателя. По мере увеличения промежутка времени, прошедшего после остановки, температура газотурбинного двигателя уменьшается до низкой температуры в неработающем состоянии, равной, приблизительно 100°F. Например, кривая 62 охлаждения имеет максимальную температуру, равную, приблизительно, 1000°F, при остановке газотурбинного двигателя. Кривая 62 иллюстрирует, что по истечении некоторого времени после остановки температура газотурбинного двигателя уменьшается до низкой температуры в неработающем состоянии, равной 100°F. Следует понимать, что кривые 60 и 62 могут иметь любую форму и что они являются специфичными для каждого газотурбинного двигателя, поскольку они определены с использованием эксплуатационных данных газотурбинного двигателя, которые являются уникальными для этого газотурбинного двигателя.

Следует понимать, что в варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, газотурбинные двигатели могут эксплуатироваться с использованием множества различных стратегий эксплуатации. Например, первая стратегия эксплуатации может состоять в следующем: газотурбинный двигатель непрерывно работает в течение, приблизительно, шестнадцати часов каждый день, и газовую турбину ежедневно останавливают, приблизительно, на восемь часов без перерыва. Таким образом, используя эту первую стратегию, газотурбинный двигатель, как правило, испытывает ежедневно только один запуск и одну остановку. В частности, после непрерывной работы в течение, приблизительно, шестнадцати часов, газовую турбину останавливают при рабочей температуре, равной, приблизительно, 1000°F, и она остывает в течение, приблизительно, восьми часов до температуры в интервале от, приблизительно, 900°F до, приблизительно, 950°F. Таким образом, поскольку при запуске газотурбинного двигателя значение температуры газотурбинного двигателя находится в интервале от, приблизительно, 900°F до, приблизительно, 950°F, то происходит запуск газотурбинного двигателя из горячего состояния. После запуска газотурбинный двигатель работает при установившейся рабочей температуре, равной, приблизительно 1000°F, и после, приблизительно, шестнадцати часов непрерывной работы его снова останавливают.

Вторая стратегия эксплуатации может состоять в следующем: газотурбинный двигатель непрерывно работает двадцать четыре часа в день в течение, приблизительно, трехсот двадцати последовательных дней ежегодно, а затем газовую турбину останавливают, приблизительно, на сорок последовательных дней. При использовании второй стратегии газотурбинный двигатель испытывает очень мало запусков и очень мало остановок по сравнению с первой стратегией эксплуатации. Следует понимать, что при второй стратегии каждым запуском газотурбинного двигателя является запуск из холодного состояния ("холодный" запуск).

Третья стратегия эксплуатации может состоять в следующем: газотурбинный двигатель непрерывно работает двадцать четыре часа в день в течение, приблизительно, пяти последовательных дней, а затем газовую турбину останавливают на следующие два последовательных дня. При использовании третьей стратегии эксплуатации газотурбинный двигатель обычно испытывает один запуск и одну остановку еженедельно. Следует понимать, что при третьей стратегии эксплуатации каждый запуск может представлять собой запуск из горячего или из теплого состояния. Следует понимать следующее: несмотря на то, что приведенный в качестве примера вариант осуществления изобретения описан как имеющий три стратегии эксплуатации газотурбинного двигателя, в других вариантах осуществления изобретения может быть реализована любая стратегия эксплуатации газотурбинного двигателя, облегчающая описанную здесь процедуру оценки срока службы.

В варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, стратегия эксплуатации газотурбинного двигателя определяет номенклатуру задач, связанную с газовой турбиной. В частности, номенклатура задач для газотурбинного двигателя определена как количество запусков из холодного состояния, запусков из теплого состояния и запусков из горячего состояния, которые газотурбинный двигатель испытывает в течение ее срока использования. Например, номенклатура задач газотурбинного двигателя может содержать четыреста запусков из холодного состояния, пятьсот запусков из теплого состояния и две тысячи запусков из горячего состояния. Запуск из холодного состояния обычно происходит при значениях температуры газотурбинного двигателя в интервале от, приблизительно, 100°F до, приблизительно, 400°F, запуски из теплого состояния происходят при значениях температуры газотурбинного двигателя в интервале от, приблизительно, 400°F до, приблизительно, 700°F, а запуски из горячего состояния происходят при значениях температуры газотурбинного двигателя свыше 700°F.

Следует понимать, что в варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, сбор данных о реальных стратегиях эксплуатации и о связанных с ними номенклатурах задач производят для каждого анализируемого газотурбинного двигателя. В варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, вероятностные модели выводят в соответствии с эксплуатационной стратегией для каждого газотурбинного двигателя с использованием собранных данных. Вероятностные модели объединяют с данными об израсходованном сроке службы по циклам для различных компонентов в газотурбинном двигателе. Путем выполнения такого вероятностного анализа может быть вычислен общий срок службы, израсходованный в течение ожидаемой продолжительности эксплуатации газотурбинного двигателя. Кроме того, вероятностный анализ также может быть использован для вычисления вероятности того, что определенный компонент в газотурбинном двигателе удовлетворяет расчетному сроку службы для данной стратегии эксплуатации. Кроме того, следует понимать следующее: поскольку используются реальные данные о стратегиях эксплуатации газотурбинного двигателя и номенклатурах задач, то производят сбор данных, по существу, обо всех параметрах, оказывающих влияние на работу газотурбинного двигателя, и включают их в состав описанной здесь процедуры оценки срока службы.

На Фиг.4 изображен график, на котором показан пример кривой зависимости израсходованного срока службы при каждом запуске для газотурбинного двигателя, приведенного в качестве примера. В частности, кривая 70 зависимости израсходованного срока службы при каждом запуске показана на графике в виде линейной функции зависимости процента срока службы, израсходованного при каждом запуске 72, от типа 74 запуска, определяемого температурой. Следует понимать, что кривая 70 отображает работу нового газотурбинного двигателя и, по существу, основана на расчетных прогнозах. Кроме того, также следует отметить, что для различных газотурбинных двигателей наклон кривой на Фиг.4 является различным.

Следует понимать, что каждый газотурбинный двигатель спроектирован таким образом, что имеет конечный срок службы, и что каждый газотурбинный двигатель обычно подвергается вредному износу во время запуска. Таким образом, во время запуска расходуется, по меньшей мере, часть расчетного срока службы газотурбинного двигателя. Следует понимать следующее: несмотря на то, что в варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, кривая 70 зависимости израсходованного срока службы при каждом запуске описана как линейная функция, проходящая между величиной срока службы, израсходованного во время запуска, и типом 74 запуска, в других вариантах осуществления изобретения кривая 70 может представлять собой нелинейную функцию любого типа, которая облегчает описанную здесь процедуру оценки срока службы.

Повышение точности определения срока службы, израсходованного во время каждого запуска, облегчает повышение точности определения срока службы газотурбинного двигателя. Тип 74 запуска указывает температуру газотурбинного двигателя во время запуска, и, по существу, тип 74 запуска также указывает, является ли запуск запуском из холодного состояния, запуском из теплого состояния или запуском из горячего состояния. Можно заметить, что при каждом типе запуска расходуется различная величина срока службы газотурбинного двигателя. Например, газотурбинный двигатель может быть спроектирован таким образом, что способен испытывать всего, приблизительно, 2000 запусков из холодного состояния в течение его срока службы, при этом, на каждый запуск расходуется, приблизительно, 1/2000 часть его общего срока службы. На запуски из более холодного состояния обычно расходуется более значительная величина срока службы газотурбинного двигателя, а на запуски из более горячего состояния обычно расходуется наименьшая величина срока службы газотурбинного двигателя. Следует понимать следующее: по мере эксплуатации газотурбинного двигателя и сбора данных может быть создана кривая 76 (показанная на Фиг.5), отражающая специфику конкретного газотурбинного двигателя.

На чертеже Фиг.5 изображен график, на котором показан другой пример кривой 76 зависимости израсходованного срока службы при каждом запуске. В частности, кривая 76 зависимости израсходованного срока службы при каждом запуске, определенная с использованием эксплуатационных данных газотурбинного двигателя, изображена на графике как функция зависимости процента срока службы, израсходованного при каждом запуске 78, от типа 80 запуска, определяемого температурой. Следует понимать, что кривая 76 отражает специфику конкретного газотурбинного двигателя и, по существу, может быть различной для каждого газотурбинного двигателя.

На чертеже Фиг.6 изображен график, на котором показан пример распределения вероятности для первой стратегии. В частности, проиллюстрированная кривая 82 представляет собой гауссово распределение вероятности того, что газотурбинный двигатель или компоненты газотурбинного двигателя выйдут из строя при преждевременном превышении расчетного срока службы газотурбинного двигателя в случае использования первой стратегии эксплуатации. Предел 84 определяет уровень приемлемого риска преждевременного превышения срока службы газотурбинного двигателя или преждевременного выхода газотурбинного двигателя из строя. Таким образом, газотурбинный двигатель может быть спроектирован с учетом рисков или значений вероятности того, что он может преждевременно выйти из строя. Предел 84 может быть определен на таком уровне, который облегчает усовершенствование описанной здесь процедуры оценки срока службы газотурбинного двигателя. Также следует понимать следующее: несмотря на то, что в варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, для определения вероятности преждевременного выхода газотурбинного двигателя из строя при использовании первой стратегии эксплуатации используют гауссово распределение вероятности, в других вариантах осуществления изобретения может быть использовано любое распределение вероятности, облегчающее описанную здесь процедуру оценки срока службы.

На чертеже Фиг.7 изображен график, на котором проиллюстрирован пример распределения вероятности для второй стратегии эксплуатации. В частности, проиллюстрирована кривая 86, представляющая собой гауссово распределение вероятности того, что газотурбинный двигатель выйдет из строя при преждевременном превышении расчетного срока службы газотурбинного двигателя, в случае использования второй стратегии эксплуатации. Поскольку в варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, предел 84 не пересекается с кривой 86, то не должен произойти преждевременный выход газотурбинного двигателя из строя. Таким образом, при использовании второй стратегии эксплуатации риск преждевременного выхода газотурбинного двигателя из строя, по существу, устранен или сведен к минимуму. Следует понимать следующее: несмотря на то, что в варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, для определения вероятности преждевременного выхода газотурбинного двигателя из строя при использовании второй стратегии используют гауссово распределение вероятности, в других вариантах осуществления изобретения может быть использовано любое распределение вероятности, облегчающее описанную здесь процедуру оценки срока службы.

На Фиг.8 изображен график, на котором проиллюстрированы приведенные в качестве примера распределения вероятности для первой стратегии 82 эксплуатации, для второй стратегии 86 эксплуатации и для третьей стратегии 88 эксплуатации. Сравнение эффективности альтернативных стратегий эксплуатации может быть легче выполнено путем наложения распределений вероятности. Например, поскольку кривая 82 распределения вероятности является самой близкой к приемлемому пределу 84 риска, то более вероятно, что газотурбинные двигатели, работающие строго в соответствии с первой стратегией эксплуатации, выйдут из строя прежде, чем газотурбинные двигатели, работающие в соответствии с другими стратегиями эксплуатации. Следовательно, проверку газотурбинных двигателей, работающих в соответствии с первой стратегией эксплуатации, на необходимость их технического обслуживания и текущего ремонта следует производить более часто по сравнению с газовыми турбинами, работающими в соответствии с другими стратегиями эксплуатации. Аналогичным образом, для газотурбинных двигателей, работающих в режиме, обеспечивающем большее удаление от приемлемого уровня 84 риска, требуется меньшее количество проверок, поскольку вероятность преждевременного выхода таких газотурбинных двигателей из строя является меньшей.

На Фиг.9 изображена схема 90 последовательности операций, на которой проиллюстрированы приведенные в качестве примера процедуры, используемые в системе 10 ИППОССК (показанной на Фиг.1) для облечения определения процедуры вероятностной оценки срока службы компонентов газотурбинного двигателя на основании номенклатуры задач. Процедуру оценки срока службы начинают с операции 92 путем определения или получения диапазона возможных кривых охлаждения для газотурбинного двигателя, подлежащих анализу, при операции 94. При операции 96, исходя из эксплуатационных данных газотурбинного двигателя, распознают и анализируют несколько различных типов запуска для получения или определения кривой 76 расходования срока службы. Следует понимать, что типы запуска обычно определяются температурой. Соответственно, могут существовать диапазоны температур, определяющие типы запусков, например, запуски из холодного состояния, запуски из теплого состояния и запуски из горячего состояния. Кроме того, типы запуска также могут определяться температурами запуска конкретного газотурбинного двигателя. Например, запуск, происходящий при температуре газотурбинного двигателя, равной, приблизительно, 431°F, рассматривается как запуск при температуре 431 градус. Затем при операции 98 выводят формулу, которая учитывает работу газотурбинного двигателя в течение года. В частности, в варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, эта формула учитывает почасовую работу газотурбинного двигателя в течение года и учитывает, по существу, все возможные номенклатуры задач. Таким образом, формула учитывает, по меньшей мере, количество часов во время запуска, в течение работы газотурбинного двигателя в установившемся режиме, и продолжительность остановок, происходящих в течение года. Таким образом, при анализе газотурбинный двигатель не может работать в течение времени, превышающего общее количество часов в году.

Затем при операции 100 определяют стратегию эксплуатации газотурбинного двигателя. Например, при использовании первой стратегии 82 эксплуатации, газотурбинный двигатель работает непрерывно в течение, приблизительно, шестнадцати часов, и его ежедневно останавливают, приблизительно, на восемь часов без перерыва. После определения стратегии эксплуатации при операции 100 выполняют операцию 102, при которой устанавливают расчетный срок службы газотурбинного двигателя. В различных вариантах осуществления изобретения расчетным сроком службы газотурбинного двигателя может являться любой промежуток времени, подходящий для конкретного анализируемого или моделируемого газотурбинного двигателя.

Во время анализа полагают, что в момент начала работы каждый газотурбинный двигатель начинает работать при температуре запуска из холодного нерабочего состояния, равной, приблизительно, 100°F (операция 104). Процедуру анализа для создания гистограмм, отражающих эксплуатационные данные газотурбинного двигателя, выполняют с учетом времени начала работы, стратегии эксплуатации, расчетного срока службы и температуры запуска из холодного состояния. Следует понимать, что для выполняемого при операции 106 определения приращения времени работы газотурбинного двигателя 106 используют вероятностное распределение, а тип запуска при операции 108 выбирают с использованием распределения вероятности типа 108 запуска. В варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, оба распределения вероятности времени работы и типа запуска (на чертеже не показаны) являются распределениями вероятности гауссова типа. Однако, следует понимать, что в других вариантах осуществления изобретения для времени работы и типа запуска может быть использовано распределение вероятности любого типа, облегчающее описанную здесь процедуру оценки срока службы.

Каждое приращение времени работы связано со временем охлаждения. В варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, время охлаждения между остановкой газотурбинного двигателя и последующим запуском определяют с использованием заранее заданного гауссова распределения вероятности. Таким образом, при операции 110 определяют полное приращение времени работы путем суммирования приращения времени работы газотурбинного двигателя и связанного с ним времени охлаждения. При операции 112 каждое полное приращение времени работы добавляют к общему времени работы газотурбинного двигателя. Общее время 112 работы газотурбинного двигателя равно накопленной сумме предыдущих полных приращений времени работы. Следует понимать, что общее время работы газотурбинного двигателя отсчитывают с начала эксплуатации газотурбинного двигателя, в то время как значения температуры запуска и остановки для каждого полного приращения времени работы, приращение времени работы и соответствующие значения времени для температур запуска и остановки измеряют с первого момента времени, когда они были запомнены в базе 24 данных. Таким образом, при операции 112 для выбранной стратегии эксплуатации определяют гистограмму общей продолжительности времени работы газотурбинного двигателя.

Когда при операции 114 определено, что общее время работы газотурбинного двигателя не является приблизительно равным расчетному сроку службы газотурбинного двигателя, то выполняют операцию 106, при которой определяют другое приращение времени работы газотурбинного двигателя. В противном случае, когда при операции 114 определено, что общее время работы газотурбинного двигателя приблизительно равно расчетному сроку службы газотурбинного двигателя, то затем при операции 116 может быть выбран вариант выполнения оптимизации общего времени работы газотурбинного двигателя. Когда при операции 116 выбран вариант выполнения оптимизации общего времени работы газотурбинного двигателя, то выполняют операции 118, 122, при которых общее время работы газотурбинного двигателя сравнивают с расчетным сроком службы газотурбинного двигателя. Когда при операции 118 определено, что общее время работы газотурбинного двигателя является меньшим, чем расчетный срок службы, то выполняют операцию 120, при которой количество запусков газотурбинного двигателя пошагово уменьшают, чтобы обеспечить расходование меньшей доли срока службы 120 газотурбинного двигателя. В частности, способ запуска газотурбинного двигателя изменяют таким образом, чтобы реализовать более медленный запуск, на который расходуется меньшая доля срока службы газотурбинного двигателя при каждом запуске, и выполняют операцию 104, при которой устанавливают температуру запуска из холодного состояния. В противном случае, когда общее время работы газотурбинного двигателя не является меньшим, чем расчетный срок службы газотурбинного двигателя, то выполняют операцию 122, при которой общее время работы газотурбинного двигателя сравнивают с расчетным сроком службы газотурбинного двигателя для определения 122 того, превышает ли общее время работы газотурбинного двигателя расчетный срок 122 службы газотурбинного двигателя. Если общее время работы газотурбинного двигателя превышает расчетный срок службы газотурбинного двигателя, то выполняют операцию 124, при которой увеличивают частоту запусков газотурбинного двигателя, чтобы израсходовать более значительную долю срока службы газотурбинного двигателя при каждом запуске. Таким образом, во время анализа при операции 124 изменяют способ запуска газотурбинного двигателя таким образом, чтобы реализовать более быстрый запуск, при котором расходуется более значительная доля срока службы газотурбинного двигателя на каждый запуск. Затем выполняют операцию 104, при которой устанавливают температуру запуска из холодного состояния, равную 100°F.

Когда при операции 118 определено, что общее время работы газотурбинного двигателя является не меньшим, чем расчетный срок службы, и когда при операции 122 определено, что оно не превышает расчетный срок службы газотурбинного двигателя, то при желании, определенном при операции 126, может быть сгенерирована другая гистограмма для выбранной или для определенной стратегии эксплуатации. Если при операции 126 определено, что желательна другая гистограмма, то выполняют операцию 104, при которой устанавливают температуру запуска из холодного состояния, равную 100°F. Если при операции 126 определено, что другая гистограмма не желательна, то выполняют операцию 128, при которой выясняют, следует ли определить другую стратегию эксплуатации, и другая стратегия эксплуатации может быть определена при выполнении операции 100, и могут быть сформированы соответствующие гистограммы. В варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, для каждой стратегии эксплуатации создают множество гистограмм до тех пор, пока не будет достигнута сходимость гистограмм к надлежащей вероятностной модели, в результате чего получают, по существу, полный спектр режимов работы газотурбинного двигателя для конкретной стратегии эксплуатации. Для разработки точной вероятностной модели для конкретной стратегии эксплуатации обычно требуется три-пять гистограмм. Однако в других вариантах осуществления изобретения может быть создано любое количество гистограмм, которые требуются для обеспечения сходимости к надлежащей вероятностной модели для стратегии эксплуатации.

После того как была определена точная вероятностная модель для каждой желательной стратегии эксплуатации, и в том случае, когда при операции 128 определено, что другая стратегия эксплуатации не желательна, выполняют операцию 130 имитационного моделирования методом Монте-Карло для каждой из вероятностных моделей для определения номенклатуры задач, соответствующей каждой стратегии эксплуатации. Следует понимать следующее: несмотря на то, что в варианте осуществления изобретения, который приведен в качестве примера, выполняют имитационное моделирование методом Монте-Карло, в других вариантах осуществления изобретения может быть использовано средство имитационного моделирования любого типа, облегчающее разработку описанной здесь процедуры оценки срока службы. Во время имитационного моделирования методом Монте-Карло значения температуры запуска газотурбинного двигателя определяют с использованием диапазона кривых охлаждения. Во время каждого имитационного моделирования при операции 134 определяют величину израсходованного срока службы с использованием кривых расходования срока службы. При операции 136 определяют распределение вероятности общего израсходованного срока службы по циклам путем распространения израсходованного срока службы на ожидаемый срок службы газотурбинного двигателя (что показано на чертежах Фиг.6-8).

В каждом варианте осуществления изобретения описанные выше способы увеличения срока службы газотурбинных двигателей облегчают организацию процедуры разработки критериев вероятностной оценки срока службы на основании эксплуатационных данных. В частности, подробный анализ эксплуатационных данных в рабочих условиях используется для распознавания тенденций или шаблонов, которые могут обеспечить связь с реальными стратегиями эксплуатации различных газотурбинных двигателей. Используя подход, основанный на критериях вероятностной оценки срока службы, имеется возможность разработки такой номенклатуры задач, которая является физически возможной, поскольку продолжительность эксплуатации газотурбинного двигателя в сумме равна количеству часов в году. Кроме того, критерии вероятностной оценки срока службы позволяют обеспечить лучшую оценку рисков и выигрышей в альтернативных вариантах конструкции газотурбинных двигателей и гарантируют, что газотурбинные двигатели и компоненты газотурбинных двигателей не являются спроектированными с чрезмерным запасом прочности при нереалистичных предположениях, что, таким образом, способствует сокращению продолжительности этапа проектирования и затрат на конструкторские работы. Кроме того, использование процедуры вероятностной оценки срока службы позволяет использовать эксплуатационные данные для определения конструкторских решений и сокращает время проектирования и затраты на конструкторские работы. Соответственно, это способствует как улучшению рабочих характеристик газотурбинного двигателя, так и увеличению срока службы компонентов, рентабельным и надежным способом.

Выше приведено подробное описание приведенных в качестве примеров вариантов осуществления способов облегчения процедуры оценки срока службы компонентов газотурбинного двигателя на основании номенклатуры задач. Эти способы не ограничены их использованием применительно к описанным здесь конкретным вариантам осуществления газотурбинного двигателя, а, наоборот, эти способы могут быть использованы независимо и отдельно от других описанных здесь газотурбинных двигателей. Например, эти способы могут использоваться для любых газотурбинных двигателей в коммунальном хозяйстве, в промышленности или для газотурбинных двигателей, используемых в качестве механического привода. Кроме того, настоящее изобретение не ограничено теми вариантами осуществления способа, подробное описание которых приведено выше. Вернее, могут быть использованы другие измененные варианты способа, не выходящие за пределы сущности и объема формулы изобретения.

Несмотря на то что настоящее изобретение было описано в контексте различных конкретных вариантов его осуществления, для специалистов в данной области техники понятно, что изобретение может быть реализовано на практике с его видоизменениями, не выходящими за пределы сущности и объема формулы изобретения.

СПОСОБЫ И СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ ВЕРОЯТНОСТНОЙ

ОЦЕНКИ СРОКА СЛУЖБЫ НА ОСНОВЕ ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

Реферат

Изобретение относится к способам и системам разработки технологии вероятностной оценки срока службы вращающего оборудования на основании стратегий эксплуатации. Техническим результатом является увеличение расчетного срока службы газотурбинного двигателя за счет использования анализа эксплуатационных данных при решении конкретной задачи его эксплуатации. Система включает сервер, содержащий базу данных и обеспечивающий сохранение в ней кривых охлаждения для газотурбинного двигателя, типов запуска, стратегии эксплуатации и расчетного срока службы двигателя, при этом сервер выполняет анализ эксплуатационных данных, выводит и сохраняет гистограмму и вероятностную модель, определяет номенклатуру задач для стратегии эксплуатации, выполняет имитационное моделирование вероятностной модели по циклам и получает распределение вероятности для общего израсходованного срока службы по циклам. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

Формула