Способ эксплуатации газотурбинного двигателя с защитной сеткой на входе и противообледенительной системой Российский патент 2019 года по МПК F04D27/02 

Настоящее изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в системах защиты и управления стационарных газотурбинных установок, газоперекачивающих агрегатов для защиты газотурбинного двигателя от помпажа.

Известен способ эксплуатации газотурбинного двигателя, при котором измеряют давление на входе, давление за компрессором и частоту вращения ротора, определяют знаки и величину производных по времени от этих параметров, сравнивают каждую производную со своим пороговым значением. Вывод о наличии развития помпажа делают в случае превышения производными своих пороговых значений. Поскольку изменение параметров может происходить со сдвигом во времени, то при превышении порогового значения одной производной ожидают, когда значения остальных производных превысят свои пороговые значения, и только тогда делают вывод о наличии помпажа. Этот способ позволяет делать вывод о развитии помпажа уже во время первого помпажного колебания (патент РФ 2263234, F04D 27/02, опубл. 27.10.2005).

Однако при использовании этого способа для авиационного газотурбинного двигателя производные частоты вращения ротора, давления за компрессором могут превысить свои пороговые значения в результате изменения режима эксплуатации двигателя, т.е. могут быть получены ложные выводы о наличии помпажа, что негативно влияет на надежную работу газотурбинного двигателя.

Наиболее близким предлагаемому изобретению является способ эксплуатации газотурбинного двигателя с защитной сеткой на входе и противообледенительной системой, в котором для предотвращения помпажа компрессора измеряют перепад давления воздуха на защитной сетке, установленной в тракте воздухозаборного блока на входе в воздуховод газотурбинного двигателя в зависимости от частоты вращения ротора компрессора. Перепад давления воздуха определяют как разность давлений воздуха перед и за защитной сеткой, перед началом эксплуатации определяют график зависимости перепада давления на защитной сетке от частоты вращения ротора компрессора во всем эксплуатационном диапазоне режимов работы двигателя. Рост перепада давления на защитной сетке относительно построенного графика зависимости является критерием загрязнения, обледенения как факторов, предшествующих помпажу (LVIII научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин и парогазовых установок «Научно-техническое обеспечение производства и эксплуатации газотурбинных и парогазовых установок»: тезисы докладов, г. Москва, 20-23 сентября 2011 г., ОАО «ВТИ», 2011 г., стр. 199-207).

Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает формирование предварительного сигнала об обледенении, загрязнении, как о факторах, предшествующих помпажу при достижении предельно допустимой величины перепада давления на защитной сетке, что приводит к неконтролируемому останову двигателя и тем самым снижает надежность его работы.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности работы двигателя.

Технический результат заключается в выявлении начала формирования срывных явлений, предшествующих помпажу.

Поставленная задача решается тем, что в способе эксплуатациигазотурбинного двигателя с защитной сеткой на входе и противообледенительной системой экспериментальным путем до начала эксплуатации для температуры воздуха на входе в двигатель t выбирают пограничное значение t_погр из интервала +2…+7°C, на основании которого формируют две программы работы двигателя, а именно холодный режим для t≤t_погр и горячий режим для t>t_погр также для всех частот вращения ротора компрессора n определяют исходное значение перепада давления на защитной сетке Р_исх приемниками давления, установленными до и после нее, и устанавливают верхнюю границу перепада давления, соответствующую помпажу двигателя Р_помп, кроме того, для холодного режима устанавливают границу обледенения Р_обл, а для горячего режима устанавливают границу загрязнения P_загр, причем границы обледенения и загрязнения лежат между границами Р_помп и Р_исх и отстоят от последней не менее чем на 10%, далее в ходе эксплуатации в реальном времени замеряют текущее значение перепада давления на защитной сетке Р_{текущее} и в зависимости от температуры воздуха на входе в двигатель по выбранной программе работы двигателя сравнивают его с Р_обл или, соответственно, с Р_загр, и, если на горячем режиме Р_{текущее}≥Р_загр, то производят останов двигателя и осмотр защитной сетки, если на холодном режиме Р_{текущее}≥Р_обл, то включают противообледенительную систему не менее чем на 10 минут, и по завершении ее работы в случае, если Р_{текущее} снизится не менее чем на 10% от его значения на момент включения противообледенительной системы, продолжают эксплуатацию в штатном режиме, а если указанного снижения не произошло, то производят останов двигателя и осмотр защитной сетки, причем, независимо от выбранной программы работы двигателя, если Р_{текущее}≥Р_помп, то производят останов двигателя.

Кроме того, приемники давления устанавливают в области равномерного течения воздуха через защитную сетку.

При определении исходного значения перепада давления на защитной сетке Р_исх для многовального двигателя измеряют перепад давления воздуха на защитной сетке газотурбинного двигателя в зависимости от частоты вращения ротора компрессора низкого давления.

Новым в заявляемом способе является то, что перепад давления на защитной сетке на входе в компрессор в зависимости от температуры на входе в двигатель и частоты вращения ротора компрессора является определяющим критерием выявления срывных явлений, предшествующих помпажу.

Температуру на входе в двигатель t выбирают в качестве критерия для алгоритма работы автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) работы двигателя, при этом экспериментальным путем определяют t_погр из диапазона +2 - +7°С и при температуре t>t_погр формируют программу (алгоритм) работы двигателя - «горячий режим», а при температуре t≤t_погр - программу «холодный режим». Выбор диапазона температур от +2 до +7°С обусловлен возникновением в данном диапазоне наиболее благоприятных условий для выпадения влаги из воздуха (точка росы), и в дальнейшем - образования льда.

При температуре t>t_погр происходит работа по алгоритму, который выявляет загрязнение, формирующееся на защитной сетке, рабочих лопатках и в проточной части компрессора, которое препятствует равномерному протеканию потока воздуха в двигатель, тем самым способствует формированию срывных явлений, в конечном итоге приводящих к помпажу. Также при температуре t>t_погр в алгоритм вводится критическое значение перепада давления на защитной сетке, при достижении которого происходит сигнал «помпаж». При температуре t≤t_погр происходит работа по другому алгоритму, который выявляет обледенение, формирующееся на защитной сетке, рабочих лопатках и в проточной части компрессора, которое такжепрепятствует равномерному протеканию потока воздуха в двигатель и тем самым способствует формированию срывных явлений, в конечном итоге приводящих к помпажу. После формирования сигнала «обледенение» происходит включение противообледенительной системы для устранения обледенения. Таким образом, возможность выявления срывных явлений на стадиях, предшествующих непосредственно помпажу, и принятие за счет этого необходимых мер по его предотвращению позволяет повысить надежность работы двигателя.

Отметим, что включение противообледенительной системы по перепаду на защитной сетке и температуре окружающего воздуха позволяет значительно сократить работу противообледенительной системы, т.к. отсутствует необходимость в постоянной ее работе. Время работы противообледенительной системы сокращается на 70-80%.

На фиг. 1 показана зависимость перепада давления на защитной сетке от частоты вращения ротора компрессора и пороговые значения перепада давления на защитной сетке при температуре воздуха на входе в двигатель выше +5°С, которая выбрана в качестве пограничного значения t_погр; на фиг. 2 - зависимость перепада давления на защитной сетке от частоты вращения ротора компрессора и пороговые значения перепада давления на защитной сетке при температуре воздуха на входе в двигатель меньше или равно +5°С.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Измеряют перепад давления на защитной сетке перед компрессором и частоту вращения ротора компрессора. По измеренным параметрам строят зависимость перепада давления на защитной сетке от частоты вращения ротора компрессора на начало эксплуатации во всем эксплуатационном диапазоне режимов работы двигателя. Далее относительно зависимости опытным путем определяют пороговые значения перепадов давлений назащитной сетке, которые являются критериями для программы включения сигнала «загрязнение» и сигнала «помпаж» при температуре выше +5°С, и включения противообледенительной системы (ПОС) при температуре ниже или равно +5°С. Длительность одного цикла работы ПОС - 30 мин. Температуру воздуха на входе в двигатель используют также в качестве критерия для определения алгоритма работы двигателя.

Перепад давления воздуха измеряют датчиками давления в виде разности давлений по двум приемникам давления воздуха перед и за защитной сеткой. Так как на зависимость перепада давления на защитной сетке от частоты вращения влияет состояние потока воздуха на входе в двигатель, приемники давления размещают в равномерном потоке воздуха, перед и за защитной сеткой, чтобы исключить влияние турбулентности на показания датчиков. При этом принимают во внимание тип защитной сетки (величина ячейки полотна сетки, количество защитных сеток), т.к. он влияет на величину перепада давления.

Рассмотрим пример осуществления способа при температуре воздуха на входе в двигатель ниже или равной +5°С, которая выбрана в качестве пограничной t_погр, результаты которого показаны на фиг. 1.

Определяют пороговые значения перепада давления на защитной сетке для срабатывания сигнала «помпаж» (Р_max=100%) и «обледенение» (P_w=P_f+10%),

где Р_max - предельная величина перепада на защитной сетке, определенная как пороговое значение для сигнала «помпаж»,

P_w - значение перепада давления на защитной сетке, при котором срабатывает сигнал «обледенение»,

P_f - фактическое значение перепада на защитной сетке, измеренное в конкретный момент времени эксплуатации (P_f лежит в диапазоне 25-40%).

При достижении перепада давления на защитной сетке величины P_wпроисходит включение противообледенительной системы (ПОС). Длительность одного цикла работы ПОС - 30 мин.

По истечении цикла работы ПОС, если P_w - P_f составляет ≤10%, она автоматически отключается, или, если P_w - P_t составляет >10%, формируется автоматический сигнал на нормальный останов для осмотра и очистки защитной сетки.

При превышении температуры воздуха на входе в двигатель выше +5°С ПОС отключается и работа двигателя осуществляется по алгоритму при температуре выше +5°С.

Рассмотрим пример осуществления способа при температуре воздуха на входе в двигатель выше +5°С, результаты которого показаны на фиг. 2.

Определяют пороговые значения перепада давления на защитной сетке для срабатывания сигнала «помпаж» (P_max=100%) и «загрязнение» (P_s=P_f+20%),

где P_s - значение перепада давления на защитной сетке, при котором срабатывает сигнал «загрязнение».

При достижении перепада давления на защитной сетке величины P_s происходит включение сигнала «загрязнение» и формируется автоматический сигнал на нормальный останов для осмотра и очистки защитной сетки.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить надежность работы двигателя за счет выявления срывных явлений на стадиях, предшествующих непосредственно помпажу, и принятия необходимых мер по его предотвращению.

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в системах защиты и управления стационарных газотурбинных установок, газоперекачивающих агрегатов для защиты газотурбинного двигателя от помпажа. Задачу по повышению надежности работы двигателя решает способ эксплуатации газотурбинного двигателя с защитной сеткой на входе и противообледенительной системой, согласно которому экспериментальным путем до начала эксплуатации для температуры воздуха на входе в двигатель t выбирают пограничное значение t_погр из интервала +2…+7°С, на основании которого формируют две программы работы двигателя, а именно холодный режим для t≤t_погр и горячий режим для t>t_погр, также для всех частот вращения ротора компрессора n определяют исходное значение перепада давления на защитной сетке Р_исх приемниками давления, установленными до и после нее, и устанавливают верхнюю границу перепада давления, соответствующую помпажу двигателя Р_помп, кроме того, для холодного режима устанавливают границу обледенения Р_обл, а для горячего режима устанавливают границу загрязнения Р_загр, причем границы обледенения и загрязнения лежат между границами Р_помп и Р_исх и отстоят от последней не менее чем на 10%, далее в ходе эксплуатации в реальном времени замеряют текущее значение перепада давления на защитной сетке Р_{текущее} и в зависимости от температуры воздуха на входе в двигатель по выбранной программе работы двигателя сравнивают его с Р_обл или, соответственно, с P_загр, и, если на горячем режиме Р_{текущее}≥Р_загр, производят останов двигателя и осмотр защитной сетки, если на холодном режиме Р_{текущее}≥Р_загр, то включают противообледенительную систему не менее чем на 10 минут, и по завершении ее работы в случае, если Р_{текущее} снизится не менее чем на 10% от его значения на момент включения противообледенительной системы, продолжают эксплуатацию в штатном режиме, а если указанного снижения не произошло, то производят останов двигателя и осмотр защитной сетки, причем, независимо от выбранной программы работы двигателя, если Р_{текущее}≥Р_помп, то производят останов двигателя. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ эксплуатации газотурбинного двигателя с защитной сеткой на входе и противообледенительной системой, характеризующийся тем, что экспериментальным путем до начала эксплуатации для температуры воздуха на входе в двигатель t выбирают пограничное значение t_погр из интервала +2..+7°С, на основании которого формируют две программы работы двигателя, а именно: холодный режим для t≤t_погр и горячий режим для t>t_погр, также для всех частот вращения ротора компрессора n определяют исходное значение перепада давления на защитной сетке Р_исх приемниками давления, установленными до и после нее, и устанавливают верхнюю границу перепада давления, соответствующую помпажу двигателя Р_помп, кроме того, для холодного режима устанавливают границу обледенения Р_обл, а для горячего режима устанавливают границу загрязнения Р_загр, причем границы обледенения и загрязнения лежат между границами Р_помп и Р_исх и отстоят от последней не менее чем на 10%, далее в ходе эксплуатации в реальном времени замеряют текущее значение перепада давления на защитной сетке Р_{текущее}, и в зависимости от температуры воздуха на входе в двигатель по выбранной программе работы двигателя сравнивают его с Р_обл или, соответственно, с Р_загр, и, если на горячем режиме Р_{текущее}≥Р_загр, то производят останов двигателя и осмотр защитной сетки, если на холодном режиме Р_{текущее}≥Р_обл, то включают противообледенительную систему не менее чем на 10 минут, и по завершении ее работы в случае, если Р_{текущее} снизится не менее чем на 10% от его значения на момент включения противообледенительной системы, продолжают эксплуатацию в штатном режиме, а если указанного снижения не произошло, то производят останов двигателя и осмотр защитной сетки, причем независимо от выбранной программы работы двигателя, если Р_{текущее}≥Р_помп, то производят останов двигателя.

2. Способ эксплуатации газотурбинного двигателя с защитной сеткой на входе и противообледенительной системой по п. 1, отличающийся тем, что приемники давления устанавливают в области равномерного течения воздуха через защитную сетку.

3. Способ эксплуатации газотурбинного двигателя с защитной сеткой на входе и противообледенительной системой по п. 1, отличающийся тем, что при определении исходного значения перепада давления на защитной сетке Р_исх для многовального двигателя измеряют перепад давления воздуха на защитной сетке газотурбинного двигателя в зависимости от частоты вращения ротора компрессора низкого давления.