СПОСОБ КОНТРОЛЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ КОМПРЕССОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК F04D27/02 

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, компрессоростроения и эксплуатации компрессорных систем, в частности к их регулированию и защите.

В системах, содержащих компрессор, актуально обеспечение газодинамической устойчивости рабочего процесса при максимальной эффективности. Для этой цели осуществляется активный контроль и управление режимами работы компрессорной системы. Необходимость активного контроля обусловлена опасностью разрушения лопаточных машин из-за низкочастотных колебаний потока при потере устойчивости течения, будь то вращающийся срыв или помпаж. Рост требований к надежности компрессора и, соответственно, к расширению диапазона его устойчивой работы заставляет искать новые подходы к распознаванию предпомпажного и предсрывного состояния компрессора. На основании экспериментального исследования нестационарной структуры потока в компрессоре известно, что при уменьшении расхода воздуха через компрессор при одной и той же частоте вращения течение в рабочем колесе постепенно теряется устойчивость, т.е. происходит дестабилизация течения в межлопаточных каналах рабочего колеса компрессора. Первые признаки дестабилизации течения возникают при подходе к вращающемуся срыву, когда увеличиваются выше допустимых значений углы атаки на передние кромки лопаток в рабочем колесе. В этом случае происходит изменение пульсаций давления, измеряемых на стенке над рабочим колесом. Датчики пульсаций показывают, что одновременно с изменением высокочастотной части спектра, которое может проявляться в увеличении амплитуд гармоник частоты следования лопаток A_n1 и кратных ей частот: An₂, An₃…A_ni, происходит изменение спектра пульсаций в полосе частот от 0 до частоты следования лопаток A_n1. При этом возрастает среднеквадратичное отклонение давления в этой частотной области. Дальнейшее уменьшение расхода приводит к перераспределению энергии пульсаций в этой полосе частот в область низких частот, что проявляется в изменении соотношения амплитуд роторных гармоник с номерами от А₁ до 0.5 An₁. Возникновение дестабилизации течения, в связи с уменьшением расхода, сопровождается появлением в спектре гармоники в полосе частот 0…А₁ на частоте вращающегося срыва, что свидетельствует о его (зарождении) возникновении. Развитие срывных явлений при уменьшении расхода после зарождения вращающегося срыва приводит к понижению частотности пульсаций потока и дальнейшему развитию вращающегося срыва и возникновению помпажа. До настоящего времени схемы обнаружения и распознавания предпомпажного состояния компрессора строятся на основании предварительных испытаний с определением границы устойчивой работы по возникновению помпажа. В этом случае диапазон устойчивой работы определяется по расходу, и граница устойчивости отодвигается от границы помпажа на 10% в большую сторону. В настоящее время появляются предложения по диагностированию предпомпажного состояния компрессора по возникновению вращающегося срыва.

Известен «Способ стабилизации запаса газодинамической устойчивости турбокомпрессора», патент RU №2098669, F04D 27/2 от 21.08.1995 г., в котором в качестве параметра давления используются спектральные составляющие пульсаций давления, измеряемого не менее чем в двух точках по окружному направлению проточной части турбокомпрессора, по которым формируется сигнал управления, сравниваемый с пороговым значением. Частоты спектральных составляющих сравнивают с частотой вращения ротора, после чего амплитудно-частотные характеристики, частота которых является целократной частоте вращения ротора, используется в качестве первой компоненты сигнала управления, а сдвиг фаз между спектральными составляющими, не кратными частоте вращения ротора, используют в качестве второй компоненты сигнала управления, полученный двухкомпонентный сигнал управления затем сравнивают с пороговым значением, являющимся функцией частоты вращения ротора.

Известен «Способ регулирования режимов работы компрессора», патент RU №2230939, F04D 27/02 от 24.04.2002 г., заключающийся в измерении параметра колебаний давления в его проточной части и формировании сигналов управления, где предлагается в диапазоне возможных режимов работы компрессора определять в координатах газодинамических характеристик α (абсцисса) и π (ордината) базовую границу возникновения вращающегося срыва π_баз=f(α_баз), используя в качестве сигнала по вращающемуся срыву максимум автокорреляционной функции параметра колебаний давления, после чего через интервал времени (Δτ), который выбирают по условиям эксплуатации компрессора в диапазоне Δτ=n_секундm_часов, определяют смещение режима возникновения вращающегося срыва относительно базовой границы по соотношению Δα_i=Δα_i-α_баз(π_i) и затем абсциссы точки рабочего режима и линии настройки систем противопомпажного регулирования и защиты, имевшие место при i-том вызове, смещают на величину Δα_i=f(π_i), соответствующую изменению запаса по помпажу, имевшему место при смещении Δα_i.

Известен «Способ контроля режимов работы компрессорной системы и устройство для его реализации», патент RU №2246640, F04D 27/02, от 22.07.2003 г., который заключается в том, что устанавливают по потоку в горле межлопаточного канала спрямляющего аппарата последней ступени компрессор насадок для измерения полного и донного давлений, измеряют величину разности между полным и донным давлениями, определяют величину математического ожидания донного давления по времени осреднения 0.1-0.2 τ_проц, где τ_проц - постоянная времени контролируемого переходного процесса.

Недостатком данных указанных технических решений является то, что сигналы управления формируются после появления признаков начала потери устойчивости течения в компрессоре, т.е. начала формирования в нем вращающегося срыва, проявляющихся в спектре в виде гармоник на частоте, меньшей и не кратной частоте вращения рабочего колеса. На формирование сигналов управления требуется время, сопоставимое со временем возникновения и существования срывных явлений в компрессоре, в частности вращающегося срыва. Это создает возможность потери газодинамической устойчивости компрессора.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение надежности компрессора, обеспечение поддержания его устойчивой работы путем коррекции режима работы в случае обнаружения признака, свидетельствующего о приближении возникновения вращающегося срыва.

Технический результат достигается в заявляемом способе контроля режимов работы компрессора, заключающемся в том, что измеряют параметры пульсаций давления в его проточной части, измеряют частоту вращения рабочего колеса компрессора, формируют сигнал управления режимом работы компрессора и сравнивают его с пороговым значением, при этом в качестве параметра давления используют спектральные составляющие его пульсаций, а частоты спектральных составляющих сравнивают с частотой вращения рабочего колеса компрессора, после чего амплитудно-частотные характеристики спектральных составляющих, частота которых является целократной частоте вращения рабочего колеса компрессора, используют в качестве компоненты сигнала управления, причем на входе в компрессор перед передней кромкой его рабочего колеса синхронно и непрерывно на разных частотах вращения измеряют полное давление и пульсации полного давления, статическое давление и пульсации статического давления и одновременно определяют основные параметры потока на входе:

- приведенную окружную скорость рабочего колеса U_кпр;

- приведенную осевую скорость потока λ_вх,

проводят спектральный анализ пульсаций давлений, а в качестве сигнала управления используют амплитуды гармоник, частоты которых целократны частоте вращения рабочего колеса компрессора и не превышают 0.5 частоты следования лопаток рабочего колеса компрессора, по значениям амплитуд и значениям основных параметров потока на входе в рабочее колесо компрессора формируют сигнал управления, проводят его сравнение с пороговым значением, что обеспечивает предотвращение появления признаков возникновения вращающегося срыва и помпажа, а пороговое значение сигнала управления является функцией частоты вращения рабочего колеса и приведенной осевой скорости потока на входе и определяется в условиях устойчивой работы компрессора, для обеспечения распознавания его предсрывного состояния.

Заявляемое устройство для контроля режимов работы компрессора, реализующее заявляемый способ, содержит датчик пульсаций полного давления и датчик пульсаций статического давления, которые установлены в проточной части компрессора, рабочее колесо компрессора, датчик частоты вращения рабочего колеса компрессора, цифровой регистратор, определитель частоты вращения и окружной скорости рабочего колеса, спектроанализатор, определитель параметров потока, банк данных по предварительным испытаниям на разных частотах вращения, анализатор, производящий сравнение измеренных и предварительных данных, формирователь сигнала управления, причем перед передней кромкой рабочего колеса компрессора устанавливают датчик полного давления и пульсаций полного давления и датчик статического давления и пульсаций статического давления для синхронного, непрерывного измерения полного и статического давлений и пульсаций полного и статического давлений на разных частотах вращения рабочего колеса компрессора, при этом выходы датчика полного давления и пульсаций полного давления, датчика статического давления и пульсаций статического давления, датчика частоты вращения рабочего колеса компрессора соединены с цифровым регистратором, который соединен с анализатором, производящим сравнение измеренных и предварительных данных, а через определитель частоты вращения и окружной скорости рабочего колеса цифровой регистратор соединен с банком данных по предварительным испытаниям на разных частотах вращения, одновременно цифровой регистратор соединен через спектроанализатор и через определитель параметров потока с банком данных по предварительным испытаниям на разных частотах вращения, а банк данных по предварительным испытаниям на разных частотах вращения имеет обратную связь со спектроанализатором для обеспечения его непрерывной работы, причем цифровой регистратор, определитель частоты вращения и окружной скорости рабочего колеса, спектроанализатор, определитель параметров потока и банк данных по предварительным испытаниям на разных частотах вращения имеют прямую связь с анализатором, производящим сравнение измеренных и предварительных данных и распознающим его предсрывное состояние, который соединен с формирователем сигнала управления, где формируется сигнал управления режимом компрессора, обеспечивающий его устойчивое состояние, при этом анализатор, сравнивающий измеренные и предварительные данные, имеет обратную связь со спектроанализатором, которая в случае устойчивой работы компрессора обеспечивает передачу сигнала в спектроанализатор для продолжения его работы.

Таким образом, измерения полного давления и пульсаций полного давления, статического давления и пульсаций статического давления производят синхронно и непрерывно на разных частотах вращения рабочего колеса компрессора и одновременно обрабатывают в течение всей его работы.

На каждом из фиксированных режимов работы компрессора производят спектральный анализ результатов измерения, сравнивают с результатами предварительных испытаний. На основании выборки амплитуд гармоник на частотах, целократных частоте вращения рабочего колеса, являющихся роторными гармониками и не превышающих 0.5 частоты следования лопаток рабочего колеса, формируют сигнал управления режимом работы компрессора и производят его сравнение с пороговым значением, определенным при предварительных испытаниях компрессора в условиях его устойчивой работы при его дросселировании и при одной и той же частоте вращения рабочего колеса компрессора.

Определяют основные параметры потока:

- приведенную осевую скорость λ_вх,

- окружную скорость U_k - на периферии рабочего колеса перед передней кромкой,

и сравнивают с их значениями в оптимальной точке дроссельной характеристики компрессора. По результатам сравнения выдают команды на исполнительные устройства, регулирующие режим работы всей компрессорной системы.

Распознавание предсрывного состояния компрессора, по основным параметрам потока и выборке амплитуд роторных гармоник, обеспечивает возможность точной настройки заявляемого устройства на параметры конкретного компрессора, что повышает точность определения границы устойчивой работы компрессора и расширяет зону работы компрессора с наивысшими значениями КПД.

Быстродействие заявляемого устройства повышается за счет использования высокочастотных датчиков и алгоритма спектрального анализа с короткими периодами осреднения.

Предотвращая появление вращающегося срыва в рабочем колесе компрессора, заявляемое устройство не допускает появления вибраций, возникающих в лопаточной машине в связи с неоднородностями, возникающими при формировании вращающегося срыва.

На фиг.1 представлена схема устройства для контроля режимов работы компрессора.

На фиг.2 представлен алгоритм реализации способа контроля режимов работы компрессора по заявленному устройству.

Устройство для контроля режимов работы компрессора, представленное на фиг.1, содержит:

1 - датчик полного давления Р* и пульсаций полного давления (Р*)′;

2 - датчик статического давления Р и пульсаций статического давления (Р)′;

3 - рабочее колесо компрессора;

4 - датчик частоты вращения f_рк рабочего колеса компрессора;

5 - цифровой регистратор;

6 - определитель частоты вращения f_рк и окружной скорости U_k рабочего колеса компрессора;

7 - спектроанализатор;

8 - определитель параметров потока (окружной скорости U_k; приведенной осевой скорости потока λ_вх; приведенной скорости потока в относительном движении на входе);

9 - банк данных по предварительным испытаниям на разных частотах вращения рабочего колеса компрессора;

10 - анализатор, производящий сравнение измеренных и предварительных данных;

11 - формирователь сигнала управления.

Для обеспечения выполнения алгоритма контроля режимов работы компрессора по заявляемому устройству элементы устройства для контроля режимов работы компрессора соединены между собой, как показано на фиг.2, а именно: датчик 1 полного давления и пульсаций полного давления и датчик 2 статического давления и пульсаций статического давления устанавливают перед передней кромкой рабочего колеса 3 компрессора для синхронного и непрерывного измерения полного и статического давлений и их пульсаций, при этом выходы датчика 1, датчика 2 соединены с цифровым регистратором 5, который регистрирует измеренные значения полного и статического давлений и их пульсации и формирует временные реализации. Одновременно цифровой регистратор 5 регистрирует показания датчика 4 частоты вращения рабочего колеса 3 компрессора. Полученные временные реализации с цифрового регистратора 5 передаются в определитель 6 частоты вращения и окружной скорости рабочего колеса 3 компрессора, в спектроанализатор 7 и определитель 8 параметров потока. Результаты работы определителя 6 частоты вращения и окружной скорости рабочего колеса компрессора и определителя 8 параметров потока, а также спектроанализатора 7, который производит расчет спектров пульсаций давлений, передаются на вход в банк 9 данных по предварительным испытаниям на разных частотах вращения. Банк данных 9 по предварительным испытаниям на разных частотах вращения имеет обратную связь со спектроанализатором 7, который после окончания расчета спектров пульсаций давлений и передачи сигнала об этом в банк данных 9 получает команду на продолжение расчета спектров пульсаций давлений. Данные из банка 9 данных по предварительным испытаниям на разных частотах вращения, спектры пульсаций давления с выхода спектроанализатора 7, а также данные по окружной скорости и по величинам приведенной скорости потока рабочего колеса 3 на входе λ_вх, приведенной скорости потока в относительном движении на входе в рабочее колесо 3 поступают на вход анализатора 10, производящего сравнение измеренных и предварительных данных, где производится выборка амплитуд гармоник, частоты которых целократны частоте вращения рабочего колеса 3 компрессора и не превышают 0.5 частоты следования лопаток его рабочего колеса. После этого производится их сравнение с данными предварительных испытаний. В случае превышения порогового значения, полученного из банка 9 данных по предварительным испытаниям на разных частотах вращения рабочего колеса компрессора, сигнал передается в формирователь 11 сигнала управления, где формируется сигнал управления режимом работы компрессора, и он переводится на более благоприятный режим. Если по результатам выборки амплитуды гармоник, частоты которых кратны частоте вращения рабочего колеса компрессора, не превышают пороговое значение, в спектроанализатор 7 по обратной связи поступает сигнал о продолжении работы, формирование сигнала управления не происходит и компрессор продолжает работать в режиме устойчивой работы. Анализатор 10, сравнивающий измеренные и предварительные данные, имеет обратную связь со спектроанализатором 7, которая в случае устойчивой работы компрессора обеспечивает передачу сигнала в спектроанализатор 7 для продолжения его работы.

Заявляемое устройство для контроля режимов работы компрессора по заявляемому способу работает следующим образом.

Датчик 1 полного давления и пульсаций полного давления и датчик 2 статического давления и пульсаций статического давления располагают на входе в компрессор перед передней кромкой рабочего колеса 3 компрессора, одновременно измеряют на разных частотах вращения рабочего колеса компрессора осредненные параметры потока и его пульсаций. Датчиком 4 частоты вращения рабочего колеса компрессора измеряют частоту его вращения.

Измеренные параметры Р* и (Р*′), преобразованные в электрические сигналы, регистрируют с помощью цифрового регистратора 5, где формируются временные реализации, которые передаются на входы в определитель 6 частоты вращения и окружной скорости рабочего колеса 3 компрессора, спектроанализатор 7 и определитель 8 параметров потока.

С выхода определителя 6 частоты вращения и окружной скорости рабочего колеса компрессора полученные значения частоты его вращения передаются в спектроанализатор 7 для вычисления спектрального состава пульсаций статического и полного давлений. Значения окружной скорости из определителя 6 частоты вращения и окружной скорости рабочего колеса компрессора передаются в банк данных 9 по предварительным испытаниям на разных частотах вращения рабочего колеса компрессора. Банк данных 9 представляет собой программу, содержащую значения параметров потока и его пульсаций, полученные в результате предварительных испытаний компрессора при разных частотах вращения в условиях его устойчивой и неустойчивой работы для выбора значений параметров в оптимальных точках характеристик и вблизи границы устойчивости при соответствующих значениях частоты вращения и окружной скорости. Банк 9 данных имеет обратную связь со спектроанализатором 7, что позволяет после передачи данных со спектроанализатора 7 в банк данных 9 возобновлять работу спектроанализатора 7 по расчету спектров пульсаций давлений.

С выходов определителя 6 частоты вращения и окружной скорости рабочего колеса компрессора, спектроанализатора 7, определителя 8 параметров потока и банка данных 9 по предварительным испытаниям на разных частотах вращения рабочего колеса 3 компрессора полученные с их помощью данные передаются в анализатор 10, который производит сравнение измеренных данных и данных, полученных при предварительных испытаниях при той же частоте вращения рабочего колеса и приведенной скорости потока на входе.

Анализатор 10, сравнивающий измеренные и предварительные данные, имеет обратную связь со спектроанализатором 7, которая в случае устойчивой работы компрессора обеспечивает передачу сигнала в спектроанализатор 7 для продолжения его работы.

По результатам сравнения, в случае превышения порогового значения параметра производится формирование сигнала управления в формирователе 11 сигнала управления, обеспечивающего распознавание предсрывного состояния компрессора, для формирования которого используются амплитуды гармоник, на частотах, которые целократны частоте вращения рабочего колеса и не превышают 0.5 частоты следования лопаток рабочего колеса компрессора.

Заявляемый способ контроля режима компрессора и устройство для его осуществления позволяют обеспечить устойчивую работу компрессора, так как управляющий сигнал формируется в условиях устойчивой работы и не допускает появление признаков возникновения вращающегося срыва и помпажа.

Таким образом, повышение надежности компрессора, обеспечение поддержания его устойчивой работы путем коррекции режима работы в случае обнаружения признака, свидетельствующего о приближении возникновения вращающегося срыва, позволяет обеспечить устойчивую работу компрессора, так как управляющий сигнал формируется в условиях устойчивой работы и не допускает появление признаков возникновения вращающегося срыва и помпажа.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, компрессоростроения и эксплуатации компрессорных систем, в частности к их регулированию и защите. Способ контроля режимов работы компрессора и устройство, реализующее его, включают измерения параметров пульсаций давления в его проточной части, измерение частоты вращения рабочего колеса, формирование сигнала управления режимом работы, сравнение его с пороговым значением. В качестве параметра давления используют спектральные составляющие его пульсаций, а частоты спектральных составляющих сравнивают с частотой вращения рабочего колеса, после чего амплитудно-частотные характеристики спектральных составляющих, частота которых является целократной частоте вращения рабочего колеса, используют в качестве компоненты сигнала управления. На входе в компрессор перед передней кромкой его рабочего колеса установлены датчики полного давления и их пульсаций, датчики статического давления и их пульсаций, которые синхронно и непрерывно на разных частотах вращения измеряют полное давление и пульсации полного давления, статическое давление и пульсации статического давления и одновременно определяют основные параметры потока на входе: приведенную окружную скорость рабочего колеса U_кпр; приведенную осевую скорость потока λ_вх.

Проводят спектральный анализ пульсаций давлений, а в качестве сигнала управления используют амплитуды гармоник, частоты которых целократны частоте вращения рабочего колеса компрессора и не превышают 0.5 частоты следования лопаток рабочего колеса компрессора, по значениям амплитуд и значениям основных параметров потока на входе в рабочее колесо компрессора формируют сигнал управления, проводят его сравнение с пороговым значением, что обеспечивает предотвращение появления признаков возникновения вращающегося срыва и помпажа, а пороговое значение сигнала управления является функцией частоты вращения рабочего колеса и приведенной осевой скорости потока на входе и определяется в условиях устойчивой работы компрессора, для обеспечения распознавания его предсрывного состояния. Техническим результатом является повышение надежности компрессора, обеспечение поддержания его устойчивой работы путем коррекции режима работы в случае обнаружения признака, свидетельствующего о приближении возникновения вращающегося срыва, что позволяет обеспечить устойчивую работу компрессора, так как управляющий сигнал формируется в условиях устойчивой работы и не допускает появление признаков возникновения вращающегося срыва и помпажа. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ контроля режимов работы компрессора, заключающийся в том, что измеряют параметры пульсаций давления в его проточной части, измеряют частоту вращения рабочего колеса компрессора, формируют сигнал управления режимом работы компрессора и сравнивают и его с пороговым значением, при этом в качестве параметра давления используют спектральные составляющие его пульсаций, а частоты спектральных составляющих сравнивают с частотой вращения рабочего колеса компрессора, после чего амплитудно-частотные характеристики спектральных составляющих, частота которых является целократной частоте вращения рабочего колеса компрессора, используют в качестве компоненты сигнала управления, отличающийся тем, что на входе в компрессор перед передней кромкой его рабочего колеса синхронно и непрерывно на разных частотах вращения измеряют полное давление и пульсации полного давления, статическое давление и пульсации статического давления и одновременно определяют основные параметры потока на входе: приведенную окружную скорость рабочего колеса U_кпр, приведенную осевую скорость потока λ_вх, проводят спектральный анализ пульсаций давлений, а в качестве сигнала управления используют амплитуды гармоник, частоты которых целократны частоте вращения рабочего колеса компрессора и не превышают 0,5 частоты следования лопаток рабочего колеса компрессора, по значениям амплитуд и значениям основных параметров потока на входе в рабочее колесо компрессора формируют сигнал управления, проводят его сравнение с пороговым значением, что обеспечивает предотвращение появления признаков возникновения вращающегося срыва и помпажа, а пороговое значение сигнала управления является функцией частоты вращения рабочего колеса и приведенной осевой скорости потока на входе и определяется в условиях устойчивой работы компрессора для обеспечения распознавания его предсрывного состояния.

2. Устройство для контроля режимов работы компрессора, содержащее датчик пульсаций полного давления и датчик пульсаций статического давления, которые установлены в проточной части компрессора, рабочее колесо компрессора, датчик частоты вращения рабочего колеса компрессора, цифровой регистратор, определитель частоты вращения и окружной скорости рабочего колеса, спектроанализатор, определитель параметров потока, банк данных по предварительным испытаниям на разных частотах вращения, анализатор, производящий сравнение измеренных и предварительных данных, формирователь сигнала управления, отличающееся тем, что перед передней кромкой рабочего колеса компрессора устанавливают датчик полного давления и пульсаций полного давления и датчик статического давления и пульсаций статического давления для синхронного, непрерывного измерения полного и статического давлений и пульсаций полного и статического давлений на разных частотах вращения рабочего колеса компрессора, при этом выходы датчика полного давления и пульсаций полного давления, датчика статического давления и пульсаций статического давления, датчика частоты вращения рабочего колеса компрессора соединены с цифровым регистратором, который соединен с анализатором, производящим сравнение измеренных и предварительных данных, а через определитель частоты вращения и окружной скорости рабочего колеса цифровой регистратор соединен с банком данных по предварительным испытаниям на разных частотах вращения, одновременно цифровой регистратор соединен через спектроанализатор и через определитель параметров потока с банком данных по предварительным испытаниям на разных частотах вращения, а банк данных по предварительным испытаниям на разных частотах вращения имеет обратную связь со спектроанализатором для обеспечения его непрерывной работы, причем цифровой регистратор, определитель частоты вращения и окружной скорости рабочего колеса, спектроанализатор, определитель параметров потока и банк данных по предварительным испытаниям на разных частотах вращения имеют прямую связь с анализатором, производящим сравнение измеренных и предварительных данных и распознающим его предсрывное состояние, который соединен с формирователем сигнала управления, где формируется сигнал управления режимом компрессора, обеспечивающий его устойчивое состояние, при этом анализатор, сравнивающий измеренные и предварительные данные, имеет обратную связь со спектроанализатором, которая в случае устойчивой работы компрессора обеспечивает передачу сигнала в спектроанализатор для продолжения его работы.