Способ обнаружения попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора и система для его реализации Российский патент 2019 года по МПК F01D21/00 G01M15/14 

Изобретения относится к области компрессоростроения, в частности, к системам защиты турбокомпрессоров от попадания в его проточную часть посторонних объектов.

Попадание несжимаемых объектов в проточную часть центробежных и осевых компрессоров, например жидкости или твердых предметов, приводит к существенным динамическим нагрузкам на элементы ротора. Это может привести к повреждению лопаток компрессора и, как следствие, выходу компрессора из строя. Обнаружение попадания несжимаемых объектов в проточную часть компрессора позволяет предотвратить повреждение компрессора и возникновение аварийной ситуации, требующей последующих затрат на ремонт компрессора, его технологические простои и ликвидацию последствий аварий и избежать.

Известен способ автоматизированного обнаружения попадания инородного тела в газотурбинный двигатель, заключающийся в измерении параметров ротора, формировании параметра для сравнения с пороговым значением, и при превышении порогового значения этого параметра с пороговым значением формирование сигнала попадания объекта в проточную часть ротора. Реализация данного способа требует использования системы для обнаружения попадания несжимаемых объектов, включающей в себя различные датчики характеристик ротора, значения которых влияют на формирование параметра, характеризующего попадание инородного тела в проточную часть двигателя. Способ предусматривает измерение мгновенного режима ротора, фильтрацию сигнала режима ротора для разделения его статической и динамической составляющих, сравнение отфильтрованной динамической составляющей с эталонной резонансной волной ротора для получения показателя попадания, причем эталонная резонансная волна соответствует вибрационной импульсной реакции ротора, сравнении полученного показателя попадания с пороговым значением и подаче соответствующего сигнала обнаружения попадания инородного тела, при превышении показателя попадания своего порогового значения. (Патент RU 2551252, публ. 2015 г.).

Преимуществом данного способа является то, что он не требует использования дополнительных датчиков и позволяет обнаружить попадание тел со «слабой энергией», приводящим к вибрациям с малой амплитудой.

К недостаткам указанного способа следует отнести, прежде всего, сложность практической реализации, т.к. для осуществления требуется применение датчиков режимных параметров ротора с частотным диапазоном, существенно превышающим частоты его крутильных колебаний. Это может потребовать разработку и установку дополнительных приборов, т.к. применяемые штатно приборы для автоматизации работы газотурбинных двигателей и турбокомпрессоров не требуют столь широкого частотного диапазона. Дополнительная сложность связана с тем, что для реализации способа необходимо непрерывно в реальном масштабе времени проводить вычисление математической свертки текущего сигнала динамической составляющей режима ротора и эталонной волны для формирования показателя попадания, что требует применения специализированного оборудования обладающего высоким быстродействием и большой вычислительной мощностью. Применительно к турбокомпрессорам, недостатком способа по прототипу является также то, что в процессе эксплуатации импульсная реакция первой крутильной моды ротора может измениться относительно эталонной, что не позволит обнаружить попадание инородного тела. Изменение импульсной реакции может быть следствием изменения собственных частот и ослабления (демпфирования) из-за налипания на лопатки продуктов компримирования или попадания жидкости.

Задачей, на решение которой направлены заявленные изобретения, является повышение надежности распознавания попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора при одновременном упрощении способа обнаружения и реализующей его системы распознавания попадания данных объектов в проточную часть турбокомпрессора.

Задача решается тем, что по способу обнаружения попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора, заключающемся в непрерывном измерении параметров ротора, определении показателя, характеризующего попадание несжимаемого объекта в проточную часть турбокомпрессора, сравнении данного параметра с его пороговым значением и формировании сигнала попадания несжимаемого объекта в проточную часть турбокомпрессора, в качестве параметров ротора измеряют его частоту вращения и крутящий момент на приводном валу, причем в качестве показателя, характеризующего попадание несжимаемого объекта в проточную часть турбокомпрессора, принимают отношение дисперсии сигнала крутящего момента к квадрату его среднего значения, причем сигнал попадания несжимаемого объекта в проточную часть формируют, если данный показатель превысит пороговое значение при условии возрастания крутящего момента и невозрастания частоты вращения ротора.

Задача решается также тем, что в системе для обнаружения попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора, содержащей датчики характеристик ротора, указанные датчики включают в себя датчик частоты вращения и датчик крутящего момента на приводном валу ротора компрессора, при этом выход датчика крутящего момента соединен с входами первого фильтра нижних частот и первого сумматора, инверсный вход которого подключен к выходу первого фильтра нижних частот, а выход первого сумматора соединен со входом первого умножителя, причем выход первого фильтра нижних частот соединен с входом второго умножителя, а один из выходов первого умножителя через второй фильтр нижних частот соединен со одним из входов делителя, второй вход которого соединен с выходом второго умножителя, при этом второй выход умножителя соединен с входом в первый компаратор, а выход делителя является входом второго компаратора, при этом датчик частоты вращения соединен со входами третьего фильтра нижних частот и второго сумматора, инверсный вход которого подключен к выходу третьего фильтра нижних частот, а выход сумматора является входом третьего компаратора, причем входы всех компараторов подключены к входу логического элемента «И».

Изобретения поясняются графически, где на фиг. 1 представлена блок-схема системы обнаружения попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора, реализующая способ обнаружения попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора.

Система распознавания попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора содержит датчик частоты вращения 1 и датчик крутящего момента 2 установленные на приводном валу ротора турбокомпрессора 15, фильтры нижних частот (ФНЧ) 3,4 и 9, сумматоры 5 и 6, умножители 7 и 8, делитель 10, компараторы 11, 12, 13 и логический элемент «И» 14.

В системе выход датчика 2 соединен с прямым входом сумматора 5 и входом ФНЧ 3, выход ФНЧ 3 соединен с инверсным входом сумматора 5 и входами умножителя 8, выход сумматора 5 соединен со входами умножителя 7 и компаратора 11, выход умножителя 7 через ФНЧ 9 соединен со входом делителя 10, другой вход которого соединен с выходом умножителя 8, а выход делителя 10 соединен со входом компаратора 12, выход датчика 1 соединен с прямым входом сумматора 6 и входом ФНЧ 4, выход ФНЧ 4 соединен с инверсным входом со входом сумматора 6, выход которого соединен с компаратором 13. Выходы компараторов 11, 12 и 13 соединены со входами логического элемента «И» 14.

Система работает следующим образом.

В процессе работы турбокомпрессора датчик 2 непрерывно измеряет значение крутящего момента на приводном валу ротора. Сигнал датчика поступает на ФНЧ 3, на выходе которого формируется сигнал среднего значения крутящего момента. Одновременно, сигнал датчика 2 поступает на прямой вход сумматора 5 на инвертирующий вход которого поступает среднее значение указанного сигнала с выхода ФНЧ 3, при этом на выходе сумматора 5 формируется разность между текущим и средним значениями сигнала датчика крутящего момента, которая одновременно является параметром, отражающем тенденцию изменения величины сигнала крутящего момента или дифференцированное значение сигнала датчика. Разностный сигнал с выхода сумматора 5 поступает на входы умножителя 7, на выходе которого формируется квадрат значения разностного сигнала, который поступает на вход ФНЧ 9, на выходе которого формируется текущая величина дисперсии сигнала крутящего момента. Выход ФНЧ 3 также поступает на входы умножителя 8, на выходе которого формируется значение квадрата среднего значения сигнала датчика крутящего момента. Выходные сигналы ФНЧ 9 и умножителя 8 поступают на входы делителя 10, на выходе которого формируется сигнал отношения дисперсии сигнала датчика момента к квадрату его среднего значения. Этот сигнал с выхода делителя 10 поступает на вход компаратора 12 на выходе которого формируется сигнал сравнения значения указанного сигнала отношения с его пороговым значением. Разностный сигнал с выхода сумматора 5 также поступает на вход компаратора 11 на выходе которого формируется сигнал признака отражающего тенденцию возрастания значения крутящего момента. Датчик 1 непрерывно измеряет частоту вращения ротора. Сигнал датчика поступает на ФНЧ 4, на выходе которого формируется среднее значение частоты вращения. Одновременно, сигнал датчика 1 поступает на прямой вход сумматора 6 на инвертирующий вход которого поступает среднее значение указанного сигнала с выхода ФНЧ 4, при этом на выходе сумматора 6 формируется разностный сигнал отражающий тенденцию изменения величины сигнала частоты вращения или дифференцированное значение сигнала датчика. Разностный сигнал с выхода сумматора 6 поступает на вход компаратора 13 на выходе которого формируется сигнал признака отражающего тенденцию невозрастания значения частоты вращения. Попадание несжимаемаемого объекта в проточную часть турбокомпрессора приводит к резкому возрастанию значения крутящего момента и повышению отношения дисперсии сигнала к квадрату его среднего значения, а скорость вращения ротора при этом снизится или перестанет возрастать. При этом на выходах компараторов 11, 12 и 13 установятся сигналы логической единицы, которые поступят на входы логического элемента И 14 на выходе которого сформируется сигнал распознавания попадания несжимаемаемого объекта в проточную часть.

Сигнал попадания несжимаемаемого объекта в проточную часть предназначен для использования в системах автоматического управления турбокомпрессоров в целях сигнализации или аварийной защиты.

В основу способа обнаружения попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора положено использование параметра динамики возрастания крутящего момента на приводном валу ротора компрессора, в качестве которого используется отношение дисперсии величины сигнала датчика момента на приводном валу ротора компрессора к квадрату его среднего значения, а сигнал распознавания формируется при превышении величиной указанного параметра своего порогового значения при условии возрастания крутящего момента и невозрастания частоты вращения ротора. То есть, для практической реализации способа необходимо измерение в реальном масштабе времени крутящего момента на приводном валу и частоты вращения и ротора компрессора, вычисление дисперсии сигнала датчика крутящего момента и квадрата его среднего значения, а также определения тенденций поведения сигналов указанных датчиков.

Способ обнаружения попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора реализуется следующим образом.

В процессе работы турбокомпрессора непрерывно измеряют частоту вращения и крутящий момент на приводном валу ротора компрессора и формируют параметр, характеризующий динамику возрастания значения крутящего момента, в качестве которого используется непрерывно вычисляемое отношение дисперсии сигнала крутящего момента к квадрату его среднего значения:

где R_M - параметр характеризующий динамику изменения значения крутящего момента;

М - значение сигнала крутящего момента;

- среднее значение сигнала крутящего момента;

- дисперсия сигнала крутящего момента.

Сигнал попадания несжимаемых объектов в проточную часть формируется при выполнении следующих условий:

S_F=1 если

где R_nop - пороговое значение параметра динамики изменения значения крутящего момента;

ω - частота вращения ротора компрессора.

Таким образом, сигнал формируется, если значение параметра динамики возрастания крутящего момента превысит свое пороговое значение при условии невозрастания частоты вращения ротора.

Изобретения позволяют достаточным простым способом реализовать обнаружение попадания посторонних объектов

Изобретения относятся к области компрессоростроения, в частности к системам защиты турбокомпрессоров, и могут быть использованы в различных отраслях промышленности и позволяют повысить надежность распознавания попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора при одновременном упрощении способа и системы обнаружения попадания данных объектов. Основой способа обнаружения попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора является сравнение параметра, отражающего динамику возрастания крутящего момента на приводном валу ротора компрессора, с его пороговым значением. Способ заключается в том, что в качестве параметра, отражающего динамику возрастания крутящего момента, используется отношение дисперсии величины сигнала момента к квадрату его среднего значения, а сигнал распознавания формируется при превышении величиной указанного отношения своего порогового значения при условии возрастания крутящего момента и невозрастания частоты вращения ротора. Система распознавания попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора содержит датчик частоты вращения 1 и датчик крутящего момента 2, установленные на приводном валу ротора турбокомпрессора 15, фильтры нижних частот (ФНЧ) 3, 4 и 9, сумматоры 5 и 6, умножители 7 и 8, делитель 10, компараторы 11, 12, 13 и логический элемент «И» 14. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ обнаружения попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора, включающий непрерывное измерение параметров ротора, определение параметра, характеризующего попадание несжимаемого объекта в проточную часть турбокомпрессора, сравнение данного параметра с его пороговым значением и формирование сигнала попадания несжимаемого объекта в проточную часть турбокомпрессора, отличающийся тем, что измеряемыми параметрами ротора являются частота вращения и крутящий момент на его приводном валу, причем параметром, характеризующим попадание несжимаемого объекта в проточную часть турбокомпрессора, является отношение дисперсии сигнала крутящего момента к квадрату его среднего значения, причем сигнал попадания несжимаемого объекта в проточную часть формируют, если данный показатель превысит пороговое значение при условии возрастания крутящего момента и невозрастания частоты вращения ротора.

2. Система для обнаружения попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора, содержащая датчики характеристик ротора, отличающаяся тем, что датчики характеристик ротора включают в себя датчик частоты вращения и датчик крутящего момента на приводном валу ротора компрессора, при этом выход датчика крутящего момента соединен с входами первого фильтра нижних частот и первого сумматора, инверсный вход которого подключен к выходу первого фильтра нижних частот, а выход первого сумматора соединен с входом первого умножителя, причем выход первого фильтра нижних частот соединен с входом второго умножителя, а один из выходов первого умножителя через второй фильтр нижних частот соединен с одним из входов делителя, второй вход которого соединен с выходом второго умножителя, при этом второй выход умножителя соединен с входом в первый компаратор, а выход делителя является входом второго компаратора, при этом датчик частоты вращения соединен с входами третьего фильтра нижних частот и второго сумматора, инверсный вход которого подключен к выходу третьего фильтра нижних частот, а выход сумматора является входом третьего компаратора, причем входы всех компараторов подключены к входу логического элемента «И».