Востребованные разработки сибирских ученых для высокотехнологического сектора

№ 24(955), 17.06.2015 г.

Сибирские ученые разработали и внедрили на нескольких десятках предприятий уникальные лазерные диагностические системы — с их помощью исследуют динамические процессы, которые протекают в турбинах, котлах и реакторах. Основанные на самых современных оптико-информационных методах, сибирские лазерные измерительные системы в динамике проверяют геометрию работающих сверхмощных роторов и железнодорожных колес. На базе этих методов оснащен государственный эталон скорости воздушного потока. За эти разработки, а главное — за их успешное применение в промышленности, коллектив из девяти авторов получил премию Правительства РФ в области науки и техники  2014 года

Новый уровень контроля технологических процессов

Награду сибирские разработчики получили за целый комплекс работ, которые они вели в кооперации с промышленниками, энергетиками и железнодорожниками  на протяжении многих лет. По самым скромным подсчетам сибирские ученые сэкономили предприятиям более 19 миллиардов рублей, что отражено в 50 актах внедрения. И это только документально подтвержденный экономический эффект! На самом деле эффект гораздо масштабнее, потому что официальные расчеты экономического эффекта были выполнены не на всех предприятиях. Затраты на внедрение новых методов бесконтактной 
диагностики на крупнейших предприятиях металлургии окупались буквально за несколько дней!  
Исследователи трех институтов СО РАН, а также РАО «Российские железные дороги» и инновационные компании объединили усилия в междисциплинарном проекте с фундаментальной задачей, которая сформулирована так: «Разработка научных основ, создание и внедрение оптико-информационных методов, систем и технологий бесконтактной диагностики динамических процессов…». Расшифровывается это просто — теперь российские инженеры могут, не прерывая технологический процесс или движение транспорта, в режиме реального времени наблюдать и контролировать процессы горения в энергоблоках, сложные потоки в гидро-, газовых и паровых турбинах и их моделях, контролировать качество горячего и холодного проката в металлургии, следить за геометрией работающих сверхмощных роторов ГЭС или колесных пар движущихся поездов.
Одной из важнейших частей работы было создание надежных лазерных систем для измерения перемещений и деформаций, для измерения полей скоростей и температур в многофазных потоках. Под руководством заместителя директора Института теплофизики СО РАН Дмитрия Марковича и главного научного сотрудника Владимира Меледина была создана линейка современных программно-аппаратных комплексов «ПОЛИС» и «ЛАД» на принципах цифровой трассерной визуализации и лазерной доплеровской анемометрии.  

Энергетика и двигателестроение

Новые методы бесконтактной диагностики в энергетике прежде всего направлены на повышение эффективности сгорания топлива и увеличение КПД действующих энергогенерирующих установок. Уже создаются инновационные энергетические технологии, связанные, в первую очередь, с высокопроизводительным и низкоэмиссионным сжиганием углеводородного топлива. Многие вопросы оптимального режима сжигания были решены при разработке оптико-электронной системы дистанционной диагностики «Корвет» (руководитель работы — заместитель директора Института автоматики и электрометрии СО РАН Олег Потатуркин). Важным и принципиально новым моментом было обеспечение селективности (по факелам) оперативного контроля режимов в многогорелочных энергоблоках. «Корветы» за доли секунды фиксируют изменения спектра излучения и частотных характеристик пульсаций пламени.  Регистрируемая информация позволяет определять особенности работы каждой из находящихся в поле зрения датчика горелок и осуществлять дистанционный контроль процесса горения с односторонним и двухсторонним расположением факелов. Подобные  системы диагностики режимов горения успешно прошли испытания и опытную эксплуатацию на Уренгойской ГРЭС и Сургутской ГРЭС-1. Достаточно сказать, что системы «Корвет» могут окупиться на районных ТЭЦ за несколько месяцев. Значительно повышается устойчивость и безопасность котельного оборудования, потому что внедряемые комплексы являются системами с обратной связью и могут не только подавать сигнал об отклонении от штатного режима, но и корректировать режимы горения к стационарным устойчивым состояниям. 
Новосибирские ученые надеются, что их разработки по контролю геометрии роторов гидроагрегатов ГЭС помогут предотвратить катастрофы, подобные той, что произошла на Саяно-Шушенской ГЭС.  Для отслеживания работы гидрогенераторов применяется лазерная диагностика, которая позволяет поддерживать миллиметровый зазор ротора постоянным с высокой точностью. Эта информационная система непрерывного дистанционного мониторинга нагруженных роторов сверхмощных энергоагрегатов на основе полупроводниковых лазерных лидаров и сверхбыстродействующих лазерных датчиков позволит уберечь российские ГЭС от аварий.
Руководитель комплекса работ, заместитель директора Института теплофизики СО РАН Дмитрий Маркович отмечает также важность разработанных методов для развития отечественного двигателестроения. Лазерные измерительные комплексы позволяют четко отслеживать процессы в многофазных высокотемпературных потоках внутри турбин, что необходимо для моделирования новых энергоэффективных и экологичных двигателей. Отдельные процессы в турбинах и двигателях в ходе испытаний исследуются лазерными комплексами в аэродинамических трубах и модельных камерах сгорания, и такая работа уже активно идет совместно с предприятиями Объединенной двигателестроительной корпорации.

Железнодорожный транспорт

РАО «РЖД», установив системы дистанционной лазерной диагностики геометрии колесных пар железнодорожных составов, уже сэкономило около 10 миллиардов рублей. Директор КТИ НП СО РАН Юрий Чугуй, руководитель группы разработчиков системы бесконтактного контроля геометрии колесных пар «Комплекс», подчеркивает неоспоримые достоинства отечественной системы — всепогодность, возможность тестировать вагоны «без отрыва от производства» (на скорости до 60 км/час) и высокая надежность. В основу метода измерения положен принцип сканирования движущегося объекта сверхбыстродействующими лазерными дальномерами.  Более 70 систем «Комплекс» служат уже около 10 лет на 15-ти железных дорогах РАО «РЖД». В России тестирование на «Комплексе» проходит около 60 миллионов вагонов в год. 

Металлургия

Первые в мире доплеровские измерители скорости и линейных размеров горячего проката для металлургии были созданы учеными Института теплофизики СО РАН в 1986 году.  За прошедшие годы на основе полученных фундаментальных результатов были созданы новые, более совершенные оптико-лазерные измерительные технологии для металлургии. Системы мониторинга, созданные группой сибирских исследователей под руководством главного научного сотрудника Института теплофизики СО РАН Владимира Меледина, внедрены и успешно эксплуатируются практически на всех крупнейших предприятиях черной металлургии России. Системы и методы оптико-информационной диагностики параметров горячего проката превосходят зарубежные аналоги, так как могут десятилетиями работать без сбоев в сложных условиях запыленности, высоких температур металлургического производства, обеспечивая класс точности контроля до тысячных долей процента. Вибрации, шумы, блики, высокие температуры — все эти помехи не сказываются на работе сибирских лазерных комплексов. Затраты на внедрение лазерной диагностики горячего проката на крупнейшем предприятии отрасли — Нижнетагильском металлургическом комбинате — окупились за пять дней использования. Эти технологии успешно работают в металлургическом производстве России более 20 лет, и эффект от их внедрения составляет миллионы тонн проката в год. 

Государственный специальный эталон единицы скорости воздушного потока 

Крупным практическим результатом проекта в области фундаментальной метрологии явилось оснащение Государственного специального эталона единицы скорости воздушного потока России ГЭТ 150-2012  лазерным измерительным комплексом «ЛАД-015». В результате выполненных работ обновленный Государственный первичный эталон России ГЭТ-150-2012 вышел на лидирующие позиции в мире, что подтверждено результатами международных ключевых сличений национальных эталонов единицы скорости воздушного потока. 

Перспективы развития методов бесконтактной диагностики

Конечно же, нам интересно, что наши ученые предложат экономике в близком будущем, какие новые методы и приборы бесконтактной диагностики сейчас создаются в лабораториях. Заместитель директора Института теплофизики СО РАН Дмитрий Маркович считает, что следует ожидать серьезных результатов в области оптической малоракурсной томографии (ОМТ). С помощью ОМТ можно будет заглянуть внутрь камер сгорания ракетных и авиационных двигателей, изучать процессы детонации и высокоскоростной деформации. Малоракурсная оптическая 3D-томография также применима для исследования процессов воспламенения и горения в крупноразмерных высокотемпературных газовых потоках. Существует еще целый ряд современных оптических технологий, которые развивают в этом авторском коллективе.
Нанотехнологии, экспериментальная гидро-, газо- и плазмодинамика многофазных систем, безопасность, ресурс и экология в энергетике, авиация, ракетная и атомная техника, судостроение, наземный транспорт, станко- и приборостроение, биомедицинские приложения — вот далеко не полный перечень областей, для которых применение лазерных систем бесконтактной диагностики является жизненно важным. Несомненно, вскоре мы увидим новые, не имеющие аналогов в мире лазерные разработки для отечественной промышленности.
 
Авторский коллектив, награжденный премией Правительства РФ:
 - Маркович Дмитрий Маркович, член-корреспондент РАН, заместитель директора Института теплофизики (ИТ СО РАН) им. С. С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук — научный руководитель комплекса работ.
 - Бильский Артур Валерьевич, к. ф.-м. н., старший научный сотрудник ИТ СО РАН.
 - Меледин Владимир Генриевич, д. т. н., главный научный сотрудник ИТ СО РАН.
 - Наумов Игорь Владимирович, д. т. н., старший научный сотрудник ИТ СО РАН.
 - Борзов Сергей Михайлович, к. т. н., заведующий лабораторией Института автоматики и электрометрии (ИАиЭ) Сибирского отделения Российской академии наук.
 - Потатуркин Олег Иосифович, д. т. н., заместитель директора по научной работе ИАиЭ СО РАН.
 - Чугуй Юрий Васильевич, д. т. н., директор Конструкторско-технологического института научного приборостроения Сибирского отделения Российской академии наук.
 - Плотников Сергей Васильевич, к. т. н., директор общества с ограниченной ответственностью «Сибирский центр транспортных технологий» (ООО «ЦТТ»).

Родион Андреев,

специально для «ЧС»