СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ПОМПАЖА КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2002 года по МПК F04D27/02 G01M15/00 

Изобретение относится к области раннего обнаружения неустойчивой работы газотурбинного двигателя (ГТД), в частности помпажа компрессора, характеризуемого сильными низкочастотными колебаниями параметров потока в проточной части ГТД.

Широко известны способы диагностики помпажа компрессоров ГТД, в которых контролируемыми параметрами служат, например, полное давление воздуха за компрессором высокого давления (Р_квд), частоты вращения роторов высокого и низкого давлений (n_вд, n_нд) либо температура торможения газов за турбиной низкого давления (Т_тнд) [1, 2, 3, 4].

В известных способах использован принцип измерения контролируемого параметра и/или его производных, относительной величины, сравнения фактической величины параметра и/или производных относительной величины с их предельно допустимыми (пороговыми) значениями, при превышении фактической величины над соответствующими пороговыми значениями подается сигнал критической ситуации, свидетельствующий о потере газодинамической устойчивости.

Однако известные способы не обеспечивают достаточно точное и своевременное обнаружение помпажа и необходимую достоверность выявления ранних стадий помпажа компрессора ГТД. В ряде случаев наблюдались ложные срабатывания противопомпажной системы (например, при отказах электропроводки датчиков двигателя, сбоев вычислительных устройств, работающих по однопараметрическим критериям выявления помпажа, поломки трубопровода подвода воздуха). Кроме того, как указано в [5], "момент времени, соответствующий началу регистрации падения полного давления неподвижным (типовым) датчиком давления, запаздывает по сравнению с моментом начала срыва на время, равное длительности провала" давления при срыве.

Наиболее близким к заявляемому является способ диагностики помпажа компрессора газотурбинного двигателя НК-8-2У с использованием методов оптической пирометрии с фиксацией текущей яркостной температуры излучения нагретой поверхности роторных лопаток турбины ГТД [6]. В известном способе диагностики с помощью оптического пирометра измеряли яркостную температуру излучения Т, сравнивали ее текущее значение с пороговым для заданной поверхности роторных лопаток турбины Т_порог, выше которого эксплуатация двигателя запрещена, тем самым подтверждали помпаж компрессора ГТД. В основе этого способа лежит чувствительность оптического пирометра к излучению высокотемпературных сажистых образований, неизбежно образующихся при помпаже и имеющих непрерывный спектр излучения, включая диапазон рабочих волн фотоприемника оптического пирометра.

Однако известный способ также не обладает достаточным быстродействием и достоверностью диагностики процесса помпажа из-за недостаточной динамики изменения параметра Т и возможного превышения Т над Т_порог в ситуациях, не связанных с помпажем компрессора (например, при кратковременном тепловом перегреве турбины из-за неудовлетворительной работы системы защиты турбины от перегрева). В ряде случаев, например, при помпаже на режиме "малый газ" параметр Т не достигает Т_порог при первом помпажном колебании, что приводит к несрабатыванию противопомпажной системы, а следовательно - к продолжению помпажа и возможной поломке компрессора, перегреву турбины, отказу двигателя в целом.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении быстродействия и достоверности диагностики помпажа компрессора ГТД за счет более раннего определения начальной стадии помпажа на основе информации о динамике изменения контролируемых параметров.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе диагностики помпажа компрессора газотурбинного двигателя, включающем измерение яркостной температуры Т излучения поверхностей элементов конструкции газотурбинного двигателя, сравнение величины Т с ее пороговым параметром Т_порог, согласно изобретению, дополнительно определяют величину производной первого порядка по времени яркостной температуры излучения dT/dτ, сравнивают ее с пороговым параметром А, и при превышении величин Т и dT/dτ над Т_порог и А соответственно, формируют сигнал о начале помпажа компрессора.

Как следует из графиков а и б на фиг.1 к моменту достижения параметра ΔРк/ΔРк, по которому ранее определяли помпажное состояние двигателя ПС-90А (точка D на графике 1а), параметр Т увеличивался на величину ~130^oС за Δτ≅0,07 с и был равным ~1060^oС. Значение Т превысило Т_порог, при этом величина производной первого порядка по времени dT/dτ достигло значений ≈1770^oС/сек. Как видно из графика 1в, динамика изменения параметра dT/dτ являлась более показательной. Величина dT/dτ для начального этапа помпажа составляет ≤1000^oС/сек, что на порядок превосходит значение dT/dτ≤100^oС/сек, обычно наблюдаемое при штатных (беспомпажных) режимах работы ГТД, например, после резких увеличений режима работы, в том числе приемистостях "Малый газ - Максимальный режим" или иных динамических процессов, связанных с организацией максимальных избытков топлива в камеру сгорания. Такое различие в динамике позволяет безошибочно диагностировать начальный этап помпажа компрессора. Таким образом, критерий dT/dτ является более показательным, чем Т.

Элементами конструкции ГТД, с поверхности которых осуществляют измерение яркостной температуры Т, могут служить детали компрессора, камеры сгорания, а также турбины, а именно роторные лопатки турбины, и более конкретно - роторные лопатки турбины первой по потоку от камеры сгорания ступени компрессора.

Дополнительно, с целью повышения достоверности диагностики целесообразно осуществлять измерение параметра Т по меньшей мере на двух участках поверхности элемента ГТД, что исключает ложные срабатывания, например, при локальной неисправности камеры сгорания.

С целью еще большего повышения быстродействия дополнительно после определения величины dT/dτ осуществляют вычисление производной второго порядка d²T/dτ² (фиг.1г), сравнивают ее значение с соответствующим пороговым параметром В, а сигнал о начале помпажа формируют в случае, когда dT/dτ>А, и/или d²T/dτ²>В, и/или Т>Т_порог, тем самым обеспечивая диагностику не только самого помпажа, но и предпомпажного состояния компрессора ГТД.

С целью выявления факта начала помпажа в более широком диапазоне режимов и для различных типов ГТД величину яркостной температуры излучения с поверхностей элементов конструкции газотурбинного двигателя корректируют согласно формуле:
Тr=аТ+bdT/dτ,
где Tr - скорректированная величина яркостной температуры;
a, b - весовые коэффициенты, зависящие от типа двигателя,
затем величину Tr сравнивают с соответствующим пороговым параметром С, при Тr>С формируют сигнал о начале помпажа.

Представленные на фиг.1а, в графики показывают, что для дополнительного повышения быстродействия и достоверности диагностики помпажа целесообразно дополнительно осуществлять измерение величины давления воздуха за компрессором Р_к и величины производной первого порядка по времени dP_к/dτ, сравнивать значение Р_к с соответствующим пороговым параметром Е, а сигнал о начале помпажа формировать в случае, когда dP_к/dτ>E и dT/dτ>A. При этом величина Е меньше, чем величина D на 30...70%.

Учет теплонапряженности ГТД при диагностике двигателя необходим также для повышения достоверности информации, для чего производные по времени и пороговые параметры корректируют в зависимости от теплонапряженности двигателя.

Наиболее точные результаты измерения яркостной температуры Т поверхностей элементов конструкции могут быть получены в случае использования фотоэлектрического приемника излучения, работающего в диапазоне волн излучения 0,2. . . 1,2 мкм, в котором чувствительным элементом служит преимущественно кремниевый фотодиод.

Предлагаемый способ позволяет диагностировать помпаж раньше на 0,02-0,06 сек, чем по известным способам. Этот фактор является решающим при помпажных частотах 8...20 Гц, как обеспечивающий более раннюю диагностику помпажа компрессора.

Изобретение иллюстрируется следующими фигурами.

На фиг. 1 а, б, в, г, представлены графики зависимости величин контролируемых параметров соответственно Р_к, Т, dT/dτ, d²Т/dτ² от времени (τ) для двигателя ПС-90А.

На фиг. 2 показана структурная схема, реализующая предлагаемый способ диагностики согласно п.1 формулы изобретения.

Блок 1 представляет собой дифференцирующий блок, на вход которого поступает сигнал о величине параметра Т, измеряемого оптическим пирометром. В блоке 1 осуществляется вычисление первой производной по времени параметра Т (dT/dτ).

Блок 2 представляет собой блок сравнения, который осуществляет сравнение текущего значения Т с его пороговым параметром Т_порог.

В блоке 3 осуществляется сравнение текущего значения dT/dτ с параметром А, представляющим собой пороговое значение параметра dT/dτ при помпаже двигателя.

Логический блок 3 работает по схеме "И". При одновременном наличии на двух входах блока 4 сигналов, поступающих с блоков 2 и 3, на выходе блока 4 формируется сигнал, соответствующий состоянию помпажа компрессора двигателя.

Способ диагностики помпажа компрессора ГТД осуществляется следующим образом.

Диагностику проводили на двухроторном газотурбинном авиационном двигателе ПС-90А в натурных условиях (R=16000 кгс; π_к=32; T_сa=1640 К; m=5,2). Двигатель был оборудован двумя оптическими пирометрами типа ОПП-94К-1,25. Принцип и технология работы пирометра на двигателе ПС-90А основаны на восприятии и преобразовании теплового излучения нагретых лопаток первой ступени ротора турбины высокого давления в электрический сигнал. Область спектральной чувствительности фотоприемника (кремниевого фотодиода типа ФД-8К) пирометра составляет 0,4...1,1 мкм.

Помпажи задавались:
- перепуском воздуха на вход в одну из промежуточных ступеней компрессора,
- при ветре в сопло со скоростью, превышающей допустимые эксплутационные нормы и т.д.

При резком изменении режима работы двигателя оптический пирометр фиксирует яркостную температуру излучения Т, сигнал о величине Т из блока 1 поступает на вход блока 2, где осуществляется сравнение текущего значения Т с параметром Т_порог. Дифференцирующий блок 1 осуществляет вычисление производной первого порядка dT/dτ и выдает сигнал на вход блока сравнения 3, в котором идет сравнение текущего значения dT/dτ с пороговым параметром А, определенным для данного типа двигателя ПС-90А (≈1700^oС/сек). В случае превышения текущих значений параметров Т и dT/dτ над их пороговыми параметрами сигналы поступают на вход логического блока 4 "И", который при их наличии посылает сигнал, соответствующий состоянию помпажа компрессора двигателя.

Эта операция осуществляется за время ~0,02...0,04 сек, что является достаточным для принятия решений о предотвращении помпажа компрессора.

Источники информации
1. Автоматический контроль и диагностика систем управления силовыми установками летательных аппаратов, Москва. "Машиностроение", 1989, стр. 102.

2. Патент РФ 2098668, F 04 D 27/02, 1998 г.

3. Патент WО 9634207, F 04 D 27/02, 1996 г.

4. Патент US 5402632, F 02 С 9/16, 1995 г.

5. Нестационарные явления в турбомашинах (численное моделирование и эксперимент). Под общей редакцией д.т.н., профессора В.Г. Августиновича, Екатеринбург, 1999, стр. 242.

6. Тезисы докладов всесоюзной научной конференции. Методы и средства машинной диагностики газотурбинных двигателей и их элементов, т. 2, Харьков, октябрь, 1980, стр. 221.

Изобретение относится к области раннего обнаружения неустойчивой работы газотурбинного двигателя (ГТД), в частности помпажа компрессора, характеризуемого сильными низкочастотными колебаниями параметров потока в проточной части ГТД, и позволяет повысить быстродействие и достоверность диагностики помпажа компрессора ГТД за счет более раннего определения начальной стадии помпажа на основе информации о динамике изменения контролируемых параметров. В способе диагностики помпажа компрессора газотурбинного двигателя, включающем измерение яркостной температуры Т излучения поверхностей элементов конструкции газотурбинного двигателя, сравнение величины Т с ее пороговым параметром Т_порог, согласно изобретению дополнительно определяют величину производной первого порядка по времени яркостной температуры излучения dТ/dτ, сравнивают ее с пороговым параметром А и при превышении величин Т и dТ/dτ над Т_порог и А соответственно формируют сигнал о начале помпажа компрессора. 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ диагностики помпажа компрессора газотурбинного двигателя, включающий измерение яркостной температуры Т излучения поверхностей элементов конструкции газотурбинного двигателя, сравнение величины Т с ее пороговым параметром Т_порог, отличающийся тем, что дополнительно определяют величину производной первого порядка по времени яркостной температуры излучения dT/dτ, сравнивают ее с пороговым параметром А и при превышении величин Т и dT/dτ над Т_порог и А соответственно формируют сигнал о начале помпажа компрессора. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерение яркостной температуры излучения Т осуществляют с поверхностей деталей турбины. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что измерение яркостной температуры осуществляют с поверхности роторной лопатки турбины. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что измерение яркостной температуры осуществляют с поверхности роторной лопатки первой по потоку от камеры сгорания ступени турбины. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерение яркостной температуры осуществляют с поверхностей деталей камеры сгорания. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерение яркостной температуры осуществляют с поверхностей деталей компрессора. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерение яркостной температуры излучения осуществляют с двух и более участков поверхности элемента конструкции газотурбинного двигателя. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно после определения величины dT/dτ осуществляют вычисление производной второго порядка d²T/dτ², сравнивают ее значение с соответствующим пороговым параметром В, а сигнал о начале помпажа формируют в случае, когда dT/dτ>A, и/или d²T/dτ²>B, и/или Т>Т_порог. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину яркостной температуры излучения с поверхностей элементов конструкции газотурбинного двигателя корректируют согласно формуле
Тr=aT+bdT/dτ,
где Тr - скорректированная величина яркостной температуры;
а, b - весовые коэффициенты, зависящие от типа двигателя,
затем величину Tr сравнивают с соответствующим пороговым параметром С, при Tr>C формируют сигнал о начале помпажа. 10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют измерение величины давления воздуха за компрессором Рк, определяют величину производной первого порядка по времени dPк/dτ, сравнивают ее значение с соответствующим пороговым параметром Е, а сигнал о начале помпажа формируют в случае, когда dPк/dτ>Е и dТ/dτ>A. 11. Способ по пп.1-10, отличающийся тем, что весовые коэффициенты, производные по времени и/или пороговые параметры корректируют в зависимости от теплонапряженности двигателя. 12. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерение яркостной температуры излучения осуществляют в диапазоне волн излучения 0,2-1,2 мкм. 13. Способ по п.12, отличающийся тем, что измерение яркостной температуры излучения осуществляют фотоэлектрическим или тепловым приемником излучения. 14. Способ по п.13, отличающийся тем, что в качестве чувствительного элемента фотоэлектрического приемника излучения используют преимущественно кремниевый фотодиод.