СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОМПАЖА И ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ПОМПАЖНЫХ КОЛЕБАНИЙ В КОМПРЕССОРАХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК Российский патент 2006 года по МПК G01H17/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для обнаружения помпажа - продольных автоколебаний, несанкционированно возникающих в компрессорах газотурбинных установок, а также для оценки параметров помпажных колебаний.

Целью изобретения является упрощение процедур обнаружения помпажа и оценки его параметров.

Известны способы обнаружения помпажа по изменению параметров, характеризующих поведение газового потока в тракте компрессора. Например, способы, рассмотренные в патенте Великобритании №1429792 и патенте США №3852958, позволяют обнаружить помпаж по скорости падения давления за компрессором.

Недостатком этих способов является то, что скорость падения давления существенно зависит от режима работы и может меняться более чем на порядок, что значительно затрудняет принятие решения о возникновении помпажа.

Предлагаемый способ обнаружения помпажа основан на измерении скорости вращения ротора компрессора. Наиболее близким к нему могли бы быть способы, обычно отвергаемые авторами литературы о помпаже и сигнализаторах помпажа. Как отмечается в [1, стр.88]¹ (Письменный И.Л. Многочастотные нелинейные колебания в газотурбинном двигателе. - М.: Машиностроение, 1987. - 128 с.: ил.), несанкционированное уменьшение частоты вращения ротора является косвенным признаком помпажа, но не может быть использовано в качестве параметра, характеризующего помпажные явления из-за инерционности роторов. Однако автор [1], очевидно, не принял во внимание тот факт, что время может быть измерено простыми средствами с разрешающей способностью, на несколько порядков превышающей разрешающую способность измерителей любых других физических параметров, обычно измеряемых для контроля помпажа. В связи с этим для обнаружения помпажа и оценки параметров помпажных колебаний предлагается следующий способ.

Проводят измерение длительности оборота ротора, вычисляют ее приращение от оборота к обороту. Анализируют поведение последовательности приращений. Если приращения длительности оборотов начинают регулярно менять знак, то сверяют период смены знака с диапазоном периодов возможных помпажных колебаний, характерным для контролируемой газотурбинной установки (помпажные колебания обычно являются самыми низкочастотными колебаниями ГТУ). Если период смены знака оказывается в диапазоне возможных помпажных колебаний исследуемой установки, то это свидетельствуют о том, что в газовоздушном тракте помимо основного потока, создаваемого компрессором, появилась переменная составляющая потока, обусловленная продольными автоколебаниями. Причем, когда направление переменной составляющей потока совпадает с направлением основного потока, скорость вращения ротора увеличивается, то есть длительность оборота уменьшается. Когда направление переменной составляющей потока оказывается встречным основному потоку, ротор тормозится и длительность оборота возрастает. Поэтому за фазу волны помпажных колебаний от задних ступеней к передним принимают ту часть периода, в течение которого приращения длительности оборота ротора компрессора оказываются положительными, а за фазу волны помпажных колебаний от передних ступеней к задним ставят в соответствие ту часть периода, в течение которого приращения длительности оборота ротора компрессора оказываются отрицательными.

Период помпажных колебаний длится в течение времени, на котором происходят две смены знака приращения длительности оборота, то есть интервал между соседними сменами знака в одном направлении, например, от плюса к минусу или от минуса к плюсу.

Чем интенсивнее колебательная составляющая газовоздушного потока, тем больше изменения длительности оборота ротора. Однако помпаж может возникать при различных исходных скоростях вращения, поэтому для сопоставления двух случаев помпажа сравнивать следует относительные изменения длительности оборота. Интенсивность помпажа будет более высокой, когда оказывается больше максимальное за период помпажных колебаний значение относительного приращения длительности оборота ротора.

В качестве первичного преобразователя длительности оборота ротора в экспериментах использовался широко применяемый при стендовых испытаниях, а также в качестве штатного - электромагнитный датчик частоты вращения (ДЧВ). Длительность оборота ротора оценивалась подсчетом импульсов высокой частоты в течение оборота. В экспериментах была использована частота 3 мегагерца. Разрешающая способность при этом составила ±1 счета, что при периоде вращения порядка 10 миллисекунд (соответствует 6000 оборотов в минуту), составляет 0,0033%.

На фиг.1 показана экспериментально снятая зависимость длительности оборота от номера наблюдаемого оборота ротора компрессора при наличии помпажных колебаний. На фиг.2 показана зависимость относительного приращения длительности оборота ротора от длительности наблюдаемого процесса.

В продолжение помпажного процесса длительность оборота ротора волнообразно изменяется, увеличиваясь в среднем. Это изменение в среднем обычно отмечается как косвенный признак помпажа [1].

В эксперименте на скорости вращения ротора компрессора около 6000 оборотов в минуту период помпажных колебаний составил около 90 миллисекунд (фиг.2), то есть продолжался в течение порядка девяти оборотов ротора. Для оценки периода помпажных колебаний достаточно времени, в течение которого произойдут три смены знака у приращения длительности оборота ротора.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для диагностики помпажа - продольных автоколебаний, несанкционированно возникающих в компрессорах газотурбинных установок, а также для оценки параметров помпажных колебаний. Технический результат: упрощение обнаружения помпажа и оценки его параметров. Сущность: измеряют длительность оборота ротора, вычисляют приращение длительности от оборота к обороту и анализируют поведение приращения. Если приращение начинает регулярно менять знак и период смены знака находится в диапазоне периодов возможных помпажных колебаний, характерных для контролируемой газотурбинной установки, то после нескольких смен знака констатируют факт возникновения помпажа. За период помпажных колебаний принимают интервал времени, на котором приращения длительности оборота меняют знак в одном направлении, например, от плюса к минусу или от минуса к плюсу. За фазу волны помпажных колебаний от задних ступеней к передним принимают интервал времени, на котором приращения периода вращения положительные. За фазу волны помпажных колебаний от передних ступеней к задним. 2 ил.

Способ обнаружения помпажа и оценки параметров помпажных колебаний в компрессорах газотурбинных установок по результатам измерения периода вращения ротора, при котором измеряют длительность оборота ротора компрессора, вычитают из длительности текущего оборота длительность предыдущего, анализируют последовательность приращений длительности оборотов, при этом, если приращения длительности оборотов начинают регулярно менять знак и период смены знака лежит в диапазоне возможных периодов помпажных колебаний, характерных для контролируемой газотурбинной установки, то после нескольких смен знака признают факт наличия помпажа, за период помпажных колебаний принимают период смены знака приращения длительности оборота в одном направлении: от плюса к минусу или от минуса к плюсу, за фазу помпажных колебаний, соответствующую перемещению волны от задних ступеней компрессора к передним, принимают интервалы времени, на которых приращения длительности оборота ротора положительные, а за фазу помпажных колебаний, соответствующую перемещению волны от передних ступеней к задним, принимают интервалы времени, на которых приращения длительности оборота ротора отрицательные, интенсивность процесса помпажных колебаний считают более высокой, если максимальное значение относительного приращения длительности оборота ротора на периоде помпажного колебания оказывается больше.