СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2011 года по МПК G01M15/14 

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в электронных системах (САУ) автоматического управления газотурбинными установками (ГТУ) газоперекачивающих агрегатов (ГПА) и газотурбинных электростанций (ГТЭС).

Известен способ контроля ГТУ, реализованный в гидромеханической САУ с электронным ограничителем температуры газов за турбиной, Кеба И.В. «Летная эксплуатация вертолетных ГТД». - М.: Транспорт, 1976 г.

Способ заключается в том, что измеряют температуру газов за турбиной, сравнивают ее значение с предельно допустимым, если измеренная температура газов превысила предельное значение на наперед заданную величину, выключают двигатель.

Недостатком известного способа является его низкая эффективность.

Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности является способ контроля технического состояния ГТУ, заключающийся в том, что расчетно-экспериментальным путем определяют заданное значение наработки ГТУ до регламентных работ, заданное значение наработки ГТУ до капитального ремонта ГТУ, во время работы ГТУ измеряют частоту вращения газогенератора ГТУ, если частота вращения выше наперед заданной величины, определяемой расчетно-экспериментальным путем для каждого типа ГТУ, запускают счетчик общей наработки ГТУ, значение счетчика общей наработки сравнивают с заданным значением наработки ГТУ до регламентных работ и с заданным значением наработки ГТУ до капитального ремонта ГТУ, как только общая наработка ГТУ станет равной заданной наработке ГТУ до регламентных работ, формируют сигнал «Необходимо проведение регламента ГТУ», останавливают ГТУ и проводят регламентные работы ГТУ, как только общая наработка станет равной заданной наработке ГТУ до капитального ремонта ГТУ, формируют сигнал «Необходимо проведение капитального ремонта ГТУ», выводят ГТУ из эксплуатации и отправляют ГТУ в капитальный ремонт, «Методика 33-00-900ПМ 151. Газотурбинная установка ГТУ-4П. Определение показателей наработки ГТУ.» - ОАО «Авиадвигатель», 1994 г.

Недостаток известного способа является то, что при таком подсчете общей наработки не учитываются индивидуальные для каждой ГТУ условия эксплуатации (количество пусков, случаи заброса температуры газов в газогенераторе ГТУ, качество используемого топлива, действительные режимы нагрузки ГТУ и т.д.). Это снижает достоверность оценки технического состояния ГТУ, что может привести к досрочному, «незапрогнозированному» выходу из строя элементов ГТУ, т.е. снижает надежность ГТУ как привода ГПА или электрогенератора.

Целью изобретения является повышение качества оценки технического состояния ГТУ и, как следствие, повышение надежности работы ГТУ, ГПА и ГТЭС.

Поставленная цель достигается тем, что в способе контроля технического состояния ГТУ, заключающемся в том, что расчетно-экспериментальным путем определяют заданное значение наработки ГТУ до регламентных работ, заданное значение наработки ГТУ до капитального ремонта ГТУ, во время работы ГТУ измеряют частоту вращения газогенератора ГТУ, если частота вращения выше наперед заданной величины, определяемой расчетно-экспериментальным путем для каждого типа ГТУ, запускают счетчик общей наработки ГТУ, значение счетчика общей наработки сравнивают с заданным значением наработки ГТУ до регламентных работ и с заданным значением наработки ГТУ до капитального ремонта ГТУ, как только общая наработка ГТУ станет равной заданной наработке ГТУ до регламентных работ, формируют сигнал «Необходимо проведение регламента ГТУ», останавливают ГТУ и проводят регламентные работы ГТУ, как только общая наработка станет равной заданной наработке ГТУ до капитального ремонта ГТУ, формируют сигнал «Необходимо проведение капитального ремонта ГТУ», выводят ГТУ из эксплуатации и отправляют ГТУ в капитальный ремонт, дополнительно в процессе эксплуатации ГТУ фиксируют количество пусков и аварийных пусков ГТУ, измеряют температуру газов за турбиной ГТУ и фиксируют количество ее резких изменений, фиксируют марку и качество топлива, подаваемого в камеру сгорания (КС) ГТУ, фиксируют количество инжекций воды на вход в ГТУ, фиксируют время эксплуатации ГТУ на режиме базовой нагрузки и на режиме пиковой нагрузки, определяют расчетно-экспериментальным путем коэффициенты влияния на скорость выработки ресурса ГТУ пусков и аварийных пусков ГТУ, резких изменений температуры газов за турбиной ГТУ, инжекций воды на вход в ГТУ, качества топлива, подаваемого в КС ГТУ, режима нагрузки ГТУ при ее эксплуатации, рассчитывают эквивалентную наработку ГТУ, сравнивают ее с общей наработкой ГТУ, и если эквивалентная наработка больше общей наработки, то для определения сроков регламентных работ или капитального ремонта ГТУ используют эквивалентную наработку.

На чертеже представлена схема устройства, реализующая заявляемый способ.

Устройство содержит последовательно соединенные блок 1 датчиков (БД), электронный блок 2 управления ГТУ (БУД), блок 3 исполнительных механизмов (ИМ), причем блок 3 подключен к БД 1, пульт 4 оператора (ГТУ), подключенный к БУД 2.

Устройство работает следующим образом.

Оператор, управляющий ГТУ, с помощью ПУ 4 задает режим работы ГТУ: запуск, холостой ход, номинальный режим, максимальный режим, останов (нормальный, аварийный, экстренный).

Команда оператора от ПУ 4 по цифровому каналу связи (например, RS 485 или Ethernet) передается в БУД 2. БУД 2 в соответствии с полученной от ГТУ 4 командой по сигналам датчиков из блока 1 по известным зависимостям (см., например, книгу Шевяков А.А. «Силовые установки ракетных двигателей и энергетических установок, Системы управления энергетических установок». - М.: Машиностроение, 1985 г.) формирует управляющее воздействие на блок 3 ИМ, которые осуществляют изменение расхода топлива в КС ГТУ и положения механизации ГТУ, обеспечивая поддержание заданного оператором режима работы ГТУ.

Информация о параметрах ГТУ, получаемая БУД 2 из БД 1, по цифровому каналу связи передается в ПУ 4.

ПУ 4 представляет собой ПЭВМ в промышленном исполнении, на жесткий магнитный диск (НЖМД) которой записано специальное программное обеспечение (СПО).

Контроль технического состояния ГТУ осуществляется следующим образом.

Расчетно-экспериментальным путем определяют заданное значение наработки ГТУ до регламентных работ и заданное значение наработки ГТУ до капитального ремонта ГТУ. Для ГТУ-4П, например, созданной на базе авиационного двигателя Д30, и являющейся приводом ГТЭС-4000 «Урал», заданное значение наработки до регламентных работ составляет 5000 часов, заданное значение наработки до капитального ремонта ГТУ - 25000 часов.

Заданное значение наработки ГТУ до регламентных работ и заданное значение наработки ГТУ до капитального ремонта ГТУ оператор вводит в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ - не показано) ПУ 4 после установки новой ГТУ в модуль ГПА или ГТЭС перед первым запуском ГТУ.

В процессе запуска ГТУ измеряют с помощью БД 1 частоту вращения газогенератора ГТУ и через БУД 2 по цифровому каналу связи передают ее значение в ПУ 4.

Если частота вращения выше наперед заданной величины, определяемой расчетно-экспериментальным путем для каждого типа ГТУ (для уже упоминавшейся выше ГТУ-4П эта величина составляет 5200 об./мин.) и хранящейся в ПЗУ ПУ 4, запускают счетчик общей наработки ГТУ (реализован программно, входит в состав СПО ПУ4).

В процессе работы ГТУ измеряют с помощью БД 1 температуру газов за турбиной ГТУ, через БУД 2 по цифровому каналу связи передают ее значение в ПУ 4, сравнивают с допустимым градиентом, хранящимся в ПЗУ ПУ 4, и фиксируют количество ее резких изменений. Для ГТУ-4П резкое изменение температуры газов - это изменение с градиентом, превышающим 1000 К/с.

Дополнительно в ПУ 4 фиксируют:

- количество пусков ГТУ;

Количество пусков определяют в ПУ 4, подсчитывая количество команд «Запуск ГТУ», сформированных по желанию оператора. Отдельно подсчитывают количество аварийных пусков. (Если запуск ГТУ не сопровождается выходом ГТУ на частоту вращения холостого хода (режим холостого хода ГТУ - аналог режима «малый газ» для авиационного двигателя) - это аварийный пуск).

- марку и качество топлива, подаваемого в камеру сгорания (КС) ГТУ;

Марку топлива и данные по его качеству заносит в ПЗУ ПУ 4 оператор после каждой заправки топливной емкости ГТУ (при автономном использовании ГТУ) или по данным, получаемым в лаборатории выборочного анализа качества газа (при подключении ГТУ к «трубе»).

- количество инжекций воды на вход в ГТУ;

Количество инжекций воды на вход в ГТУ фиксирует оператор и заносит эти данные в ПЗУ ПУ 4.

- время эксплуатации ГТУ на режиме базовой нагрузки и на режиме пиковой нагрузки,

В ПУ 4 рассчитывается мощность на выходном валу ГТУ. В процессе работы ГТУ измеряют с помощью БД 1 частоту (n) вращения выходного вала ГТУ и крутящий момент (Мкр), передаваемый выходным валом, через БУД 2 по цифровому каналу связи передают значения частоты и крутящего момента в ПУ 4. По измеренным частоте и моменту в ПУ 4 рассчитывают мощность на выходном валу ГТУ:

Рассчитанную по формуле (1) мощность сравнивают с наперед заданной для данного типа ГТУ константой Nпик., хранящейся в ПЗУ ПУ 4 (для ГТУ-4П Nпик.=100%). Если N<Nпик, то работает счетчик времени эксплуатации ГТУ на режиме базовой нагрузки. Если N=Nпик или N>Nпик, то работает счетчик времени эксплуатации ГТУ на режиме пиковой нагрузки.

При установке нового или прошедшего капитальный ремонт ГТУ в бокс ГПА или ГТЭС в ПЗУ ПУ 4 оператором заносятся из формуляра ГТУ определенные расчетно-экспериментальным путем коэффициенты влияния на скорость выработки ресурса ГТУ пусков и аварийных пусков ГТУ, резких изменений температуры газов за турбиной ГТУ, инжекций воды на вход в ГТУ, качества топлива, подаваемого в КС ГТУ, режима нагрузки ГТУ при ее эксплуатации. По полученным таким образом данным в ПУ 4 рассчитывают эквивалентную наработку ГТУ:

где Т_экв - эквивалентная наработка, ч;

а ₁ - коэффициент для каждого пуска, 1;

n₁ - число пусков; 300 за ресурс;

а ₂ - коэффициент для каждого аварийного пуска, 1,5;

n₂ - число аварийных пусков; как получится - от степени доведенности ГТУ и ее САУ;

n - число резких изменений температуры; как получится - от степени доведенности ГТУ и ее САУ, а также квалификации эксплуатирующего персонала;

t_i - эквивалентное время работы для резкого изменения температуры, например, вследствие ступенчатого изменения нагрузки или отключений;

f - коэффициент для загрязненных, неоговоренных или неустановленных видов топлива; 1,1-1,25;

w - коэффициент для инжекций воды или пара, 1,08;

b₁ - коэффициент для режима базовой нагрузки, 1,0;

t₁ - время эксплуатации на уровне, не превышающем базовую нагрузку;

b₂ - коэффициент для режима пиковой нагрузки, 1,1;

t₂ - время эксплуатации между базовой и пиковой нагрузками.

Для ГТУ-4П коэффициенты, необходимые для расчета эквивалентной наработки, имеют следующие значения:

a ₁=1;

a ₂=1,5;

f=1,1-1,25;

w=1,08;

b₁=1,0;

b₂=1,1.

Рассчитанную в ПУ 4 по формуле (2) эквивалентную наработку ГТУ сравнивают с общей наработкой ГТУ. Если эквивалентная наработка больше общей наработки, то для определения сроков регламентных работ или капитального ремонта ГТУ используют эквивалентную наработку.

Далее в ПУ 4 полученное таким образом значение наработки сравнивают с заданным значением наработки ГТУ до регламентных работ и с заданным значением наработки ГТУ до капитального ремонта ГТУ.

Как только полученная наработка ГТУ станет равной заданной наработке ГТУ до регламентных работ, формируется сигнал-сообщение оператору: «Необходимо проведение регламента ГТУ». По этому сигналу останавливают ГТУ и проводят регламентные работы ГТУ.

Как только полученная наработка станет равной заданной наработке ГТУ до капитального ремонта ГТУ, формируется сигнал-сообщение оператору: «Необходимо проведение капитального ремонта ГТУ». По этому сигналу выводят ГТУ из эксплуатации и отправляют его в капитальный ремонт.

При таком подсчете общей наработки и определении сроков регламентных и ремонтных работ учитываются индивидуальные для каждой ГТУ условия эксплуатации (количество пусков, случаи заброса температуры газов в газогенераторе ГТУ, качество используемого топлива, действительные режимы нагрузки ГТУ и т.д.). Это повышает достоверность оценки технического состояния ГТУ и снижает вероятность досрочного, «незапрогнозированного» выхода из строя элементов ГТУ.

Т.о. обеспечивается повышение качества оценки технического состояния ГТУ и, как следствие, повышение надежности работы ГТУ, ГПА и ГТЭС.

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электронных системах (САУ) автоматического управления газотурбинными установками (ГТУ) газоперекачивающих агрегатов (ГПА) и газотурбинных электростанций (ГТЭС). Дополнительно в процессе эксплуатации ГТУ фиксируют количество пусков и аварийных пусков ГТУ, измеряют температуру газов за турбиной ГТУ и фиксируют количество ее резких изменений, фиксируют марку и качество топлива, подаваемого в камеру сгорания (КС) ГТУ, фиксируют количество инжекций воды на вход в ГТУ, фиксируют время эксплуатации ГТУ на режиме базовой нагрузки и на режиме пиковой нагрузки, определяют расчетно-экспериментальным путем коэффициенты влияния на скорость выработки ресурса ГТУ пусков и аварийных пусков ГТУ, резких изменений температуры газов за турбиной ГТУ, инжекций воды на вход в ГТУ, качества топлива, подаваемого в КС ГТУ, режима нагрузки ГТУ при ее эксплуатации, рассчитывают эквивалентную наработку ГТУ, сравнивают ее с общей наработкой ГТУ, и если эквивалентная наработка больше общей наработки, то для определения сроков регламентных работ или капитального ремонта ГТУ используют эквивалентную наработку. Технический результат изобретения - повышение качества оценки технического состояния ГТУ и, как следствие, повышение надежности работы ГТУ, ГПА и ГТЭС. 1 ил.

Способ контроля технического состояния ГТУ, заключающийся в том, что расчетно-экспериментальным путем определяют заданное значение наработки ГТУ до регламентных работ, заданное значение наработки ГТУ до капитального ремонта ГТУ, во время работы ГТУ измеряют частоту вращения газогенератора ГТУ, если частота вращения выше наперед заданной величины, определяемой расчетно-экспериментальным путем для каждого типа ГТУ, запускают счетчик общей наработки ГТУ, значение счетчика общей наработки сравнивают с заданным значением наработки ГТУ до регламентных работ и с заданным значением наработки ГТУ до капитального ремонта ГТУ, как только общая наработка ГТУ станет равной заданной наработке ГТУ до регламентных работ, формируют сигнал «Необходимо проведение регламента ГТУ», останавливают ГТУ и проводят регламентные работы ГТУ, как только общая наработка станет равной заданной наработке ГТУ до капитального ремонта ГТУ, формируют сигнал «Необходимо проведение капитального ремонта ГТУ», выводят ГТУ из эксплуатации и отправляют ГТУ в капитальный ремонт, отличающийся тем, что дополнительно в процессе эксплуатации ГТУ фиксируют количество пусков и аварийных пусков ГТУ, измеряют температуру газов за турбиной ГТУ и фиксируют количество ее резких изменений, фиксируют марку и качество топлива, подаваемого в камеру сгорания (КС) ГТУ, фиксируют количество инжекций воды на вход в ГТУ, фиксируют время эксплуатации ГТУ на режиме базовой нагрузки и на режиме пиковой нагрузки, определяют расчетно-экспериментальным путем коэффициенты влияния на скорость выработки ресурса ГТУ пусков и аварийных пусков ГТУ, резких изменений температуры газов за турбиной ГТУ, инжекций воды на вход в ГТУ, качества топлива, подаваемого в КС ГТУ, режима нагрузки ГТУ при ее эксплуатации, рассчитывают эквивалентную наработку ГТУ, сравнивают ее с общей наработкой ГТУ, и если эквивалентная наработка больше общей наработки, то для определения сроков регламентных работ или капитального ремонта ГТУ используют эквивалентную наработку.