Способ эксплуатации газотурбинного двигателя Российский патент 2019 года по МПК F04D27/02 

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

Наиболее близким предлагаемому изобретению является способ предотвращения помпажа компрессора, в котором измеряют перепад давления воздуха на защитной сетке, которая установлена в тракте воздухозаборного блока на входе в воздуховод газотурбинного двигателя, частоту вращения ротора компрессора. Перепад давления воздуха измеряют в виде разности давлений воздуха перед и за защитной сеткой. Строят исходную (на начало эксплуатации) зависимость как функцию перепада давления на защитной сетке от частоты вращения ротора компрессора во всем эксплуатационном диапазоне режимов работы двигателя. Рост перепада давления на защитной сетке относительно исходной 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 отсутствует возможность своевременного отслеживания оператором в режиме реального времени начала формирования процесса загрязнения (обледенения) на защитной сетке, при этом предупреждение «помпаж» или «обледенение» происходит по уже случившемуся факту загрязнения защитной сетки.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в оперативном принятии мер по предотвращению помпажа.

Технический результат заключается в повышении эффективности работы двигателя за счет визуального мониторинга формирования загрязнения (обледенения), как факторов, предшествующих помпажу.

Поставленная задача решается тем, что в способе эксплуатации газотурбинного двигателя с защитной сеткой на входе экспериментальным путем до начала эксплуатации для всех частот вращения ротора компрессора n определяют исходное значение перепада давления на защитной сетке Р_исх, строят функциональную зависимость Р_исх=f(n), и на основании величины исходного значения перепада давления на защитной сетке устанавливают значение перепада давления, соответствующее помпажу двигателя P_помп, и предупредительное значение перепада давления Р_пред, составляющее величину не менее 70% значения Р_помп, для осуществления нормального останова газотурбинного двигателя; в ходе эксплуатации газотурбинного двигателя на пульт управления выводят график зависимости от времени фактического значения перепада давления на защитной сетке Р_ф, предупредительного значения Р_пред, значения перепада давления Р_помп, и визуально сравнивают эти показатели; если фактическое значение перепада давления на защитной сетке Р_ф достигло или превысило величину предупредительного значения Р_пред, принимают решение о нормальном останове газотурбинного двигателя и осмотре проточной части двигателя на наличие загрязнения, попадания посторонних предметов или разрушения узлов двигателя.

Кроме того, при наличии противообледенительной системы дополнительно экспериментальным путем до начала эксплуатации устанавливают границу обледенения Р_вклПОС при условии, что значение Р_вклПОС меньше Р_пред; в режиме эксплуатации дополнительно строят график зависимости от времени показателя значения перепада давления Р_вклПОС, и в режиме реального времени визуально сравнивают показатели Р_пред и Р_вклПОС с фактическим значением перепада давления на защитной сетке Р_ф; если фактическое значение перепада давления на защитной сетке Рф достигло или превысило значение перепада давления Р_вклПОС, принимают решение о включении противообледенительной системы.

Причем дополнительно на пульт управления в режиме реального времени выводят графики разностей между исходным значением перепада давления на защитной сетке Р_исх и фактическим значением перепада давления Р_ф. для дополнительной оценки роста сопротивления на входе в двигатель.

Кроме того, 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.

Отслеживание разности перепадов давлений по времени эксплуатации позволяет оператору в режиме реального времени на рабочем интерфейсе наблюдать момент начала загрязнения или обледенения защитной сетки, а также срывные явления, предшествующие началу помпажа, визуально по зависимостям наблюдать эти явления в виде уменьшения разностей перепадов и производить останов до появления предупреждения о помпаже, т.е. своевременно предотвратить помпаж компрессора и тем самым повысить эффективность работы двигателя.

На фиг. 1 приведена зависимость перепада на защитной сетке от частоты вращения ротора компрессора двигателя - исходная зависимость, которую определяют в начале периода эксплуатации.

На фиг. 2 представлен тренд разностей перепадов по времени эксплуатации.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Сущность технического решения заключается в том, что по измеренным параметрам строят зависимость перепада давления на защитной сетке от частоты вращения ротора компрессора (исходная зависимость) на начало эксплуатации; определяют опытным путем относительно исходной зависимости предупредительное и пороговые значения перепадов давлений на защитной сетке, которые являются критерием для предупреждения о формировании срывных явлений (начало помпажа), предупреждения о помпаже и рекомендации включить ПОС (в случае эксплуатации газотурбинного двигателя с применением данной системы для соответствующих климатических условий); в процессе эксплуатации измеряют фактическое значение перепада давления на защитной сетке и вычисляют разность между предупредительным значением и фактическим значением перепада давления, пороговым значением перепада давления «помпаж» и фактическим значением перепада давления, «включение ПОС» и фактическим значением перепада давления, строят полученные разности перепадов давления на защитной сетки от времени эксплуатации, отслеживают момент начала срывных явлений по этим разностям перепадов давлений от времени эксплуатации; при формировании процесса обледенения защитной сетки (в случае эксплуатации газотурбинного двигателя с применением данной системы для соответствующих климатических условий), загрязнения защитной сетки, то есть разность перепада давлений стремится к нулю и происходит предупреждение о рекомендации включить ПОС, в летний сезон включение ПОС не происходит. В случае, если фактическое значение перепада давления становится равным предупредительному значению перепада давления, то принимают решение о нормальном останове газотурбинного двигателя и осмотре проточной части двигателя, а в случае, если фактическое значение перепада давления становится равным пороговому значению (т.е. разниц между пороговым «помпаж» и фактическим значением становится равной нулю) - происходит предупреждение о «помпаже» и далее аварийный останов газотурбинного двигателя.

Новым в заявляемом способе является то, что в процессе эксплуатации визуальный мониторинг проводят по разностям перепадов давлений. Для этого измеряют фактическое значение перепада давления Р_ф на основании величин исходного перепада давления Р_исх, полученного с исходной зависимости для каждого режима эксплуатации, определяют величины пороговых значений перепадов давлений для рекомендации включить ПОС P_вклПОС (в случае эксплуатации газотурбинного двигателя с применением данной системы для соответствующих климатических условий), предупредительного значения перепада давления Р_пред (не менее 70% значения Р_помпаж) и наличия помпажа Р_помпаж, вычисляют разность между пороговым значением перепада давления «помпаж» Р_помпаж и фактическим значением Р_ф разность между предупредительным значением перепада Р_пред и фактическим значением Р_ф разность между значением «рекомендуется включить ПОС» Р_вклПОС (причем Р_вклПОС меньше Р_пред) и фактическим значением перепада давления Р_ф и строят зависимость разности между пороговым значением перепада давления «помпаж» Р_помпаж и фактическим значением Р_ф от времени эксплуатации τ, зависимость разности между предупредительным значением перепада Р_пред и фактическим значением Р_ф от времени эксплуатации τ, зависимость разности между значением «рекомендуется включить ПОС» Р_вклПОС и фактическим значением перепада давления Р_ф от времени эксплуатации τ.

При формировании процесса загрязнения (обледенения) защитной сетки происходит уменьшение площади на входе в компрессор и, как следствие, увеличение сопротивления на входе в компрессор, т.е. разности перепадов начинают уменьшаться, при (P_вклПОС=Р_ф) происходит предупреждение и рекомендуют включить ПОС. При (Р_пред)=Р_ф) происходит предупреждение о приближении к границе «помпаж», а при (Р_помпаж=Р_ф), т.е. фактическое значение перепада Р_ф становится равным пороговому значению «помпаж» Р_помпаж, выводится предупреждение «помпаж» и далее аварийный останов газотурбинного двигателя.

Таким образом, отслеживание разности перепадов давлений по времени эксплуатации позволяет оператору отследить в режиме реального времени на рабочем интерфейсе момент начала загрязнения или обледенения защитной сетки, а также срывные явления, предшествующие началу помпажа, т.е. остановить газотурбинный двигатель, предотвращая аварийный останов по достижении границы «помпаж».

На фиг. 1 приведена зависимость перепада на защитной сетке от частоты вращения ротора компрессора двигателя - исходная зависимость, которую определяют в начале периода эксплуатации.

На фиг. 2 представлен тренд разностей перепадов по времени эксплуатации. Вертикальной пунктирной линией обозначен момент времени t₁ начала формирования загрязнения (обледенения). В момент времени t₂ операторы могут наблюдать в реальном времени на мониторе уменьшение разности перепада давлений по сравнению с моментом времени t₁. О наличии помпажа компрессора в момент времени t₂ говорить не приходится, так как перепад давления на защитной сетке не достиг порогового значения «помпаж», однако значение фактического перепада вплотную приблизилось к пороговому значению включения ПОС (в случае эксплуатации газотурбинного двигателя с применением данной системы для соответствующих климатических условий), в подобной ситуации сработает предупреждение «рекомендуется включить ПОС». В летний сезон систему ПОС не включают и границу включения ПОС игнорируют.

Способ осуществляют следующим образом.

Измеряют значения перепада давления на защитной сетке, установленной в тракте воздухоприемного блока на входе в воздуховод газотурбинного двигателя и частоту вращения ротора компрессора в начале эксплуатации, по ним строят зависимость перепада давления на защитной сетке от частоты вращения ротора компрессора Р_исх=f(n) на начало эксплуатации (исходная зависимость на момент начала эксплуатации).

Далее определяют величины предупредительного значения перепада давления Р_пред, (составляет не менее 70% значения Р_помпаж), пороговых значений перепадов давлений для включения ПОС Р_вклПОС (в случае исполнения газотурбинного двигателя с данной системой) и наличия помпажа Р_помпаж, определяют фактическое значение перепада давления на защитной сетке Р_ф, после этого вычисляют разность между пороговым значением перепада давления «помпаж» Р_помпаж и фактическим значением Р_ф разность между предупредительным значением перепада Р_пред и фактическим значением Р_ф разность между значением «рекомендуется включить ПОС» Р_вклПОС (причем Р_вклПОС меньше Р_пред) и фактическим значением перепада давления Р_ф и строят зависимость разности между пороговым значением перепада давления «помпаж» Р_помпаж и фактическим значением Р_ф от времени эксплуатации τ, зависимость разности между предупредительным значением перепада Р_пред и фактическим значением Р_ф от времени эксплуатации τ, зависимость разности между значением «рекомендуется включить ПОС» Р_вклПОС и фактическим значением перепада давления Р_ф от времени эксплуатации τ.

При формировании процесса загрязнения (обледенения) на защитной сетке происходит уменьшение площади входного сечения компрессора и, как следствие, увеличение сопротивления на входе в компрессор, т.е. разность перепада давления начинает уменьшаться, при (Р_вклПОС=P_ф) включается предупреждение «рекомендуется включить ПОС», при (Р_пред=P_ф) включается предупреждение о приближении к границе «помпаж», а при (Р_помпаж=Р_ф) фактическое значение Р_ф становится равным пороговому значению Р_помпаж и включается предупреждение «помпаж» - происходит аварийный останов газотурбинного двигателя.

Таким образом, отслеживание разности перепада давления по времени эксплуатации позволяет оператору отследить в режиме реального времени на рабочем интерфейсе момент начала загрязнения или обледенения защитной сетки, а также срывные явления, предшествующие началу помпажа, т.е. своевременно предотвратить помпаж компрессора.

Изобретение относится к области защиты газотурбинного двигателя от помпажа и может быть использовано в системах защиты и управления стационарных газотурбинных установок, газоперекачивающих агрегатов. Задачу по оперативному принятию мер по предотвращению помпажа решает способ эксплуатации газотурбинного двигателя с защитной сеткой, согласно которому экспериментальным путем до начала эксплуатации для всех частот вращения ротора компрессора n определяют исходное значение перепада давления на защитной сетке P_исх, строят функциональную зависимость P_исх=f(n), и на основании величины исходного значения перепада давления на защитной сетке устанавливают значение перепада давления, соответствующее помпажу двигателя P_помп, и предупредительное значение перепада давления P_пред, составляющее величину не менее 70% значения P_помп, для осуществления нормального останова газотурбинного двигателя; в ходе эксплуатации газотурбинного двигателя на пульт управления выводят график зависимости от времени фактического значения перепада давления на защитной сетке P_ф, предупредительного значения P_пред, значения перепада давления P_помп, и визуально сравнивают эти показатели; если фактическое значение перепада давления на защитной сетке P_ф достигло или превысило величину предупредительного значения P_пред, принимают решение о нормальном останове газотурбинного двигателя и осмотре проточной части двигателя на наличие загрязнения, попадания посторонних предметов или разрушения узлов двигателя. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ эксплуатации газотурбинного двигателя с защитной сеткой на входе, характеризующийся тем, что экспериментальным путем до начала эксплуатации для всех частот вращения ротора компрессора n определяют исходное значение перепада давления на защитной сетке Р_исх, строят функциональную зависимость Р_исх=f(n), и на основании величины исходного значения перепада давления на защитной сетке устанавливают значение перепада давления, соответствующее помпажу двигателя Р_помп, и предупредительное значение перепада давления Р_пред, составляющее величину не менее 70% значения Р_помп, для осуществления нормального останова газотурбинного двигателя; в ходе эксплуатации газотурбинного двигателя на пульт управления выводят график зависимости от времени фактического значения перепада давления на защитной сетке Р_ф, предупредительного значения P_пред, значения перепада давления Р_помп, и визуально сравнивают эти показатели; если фактическое значение перепада давления на защитной сетке Р_ф достигло или превысило величину предупредительного значения P_пред, принимают решение о нормальном останове газотурбинного двигателя и осмотре проточной части двигателя на наличие загрязнения, попадания посторонних предметов или разрушения узлов двигателя.

2. Способ эксплуатации газотурбинного двигателя по п. 1, отличающийся тем, что при наличии противообледенительной системы дополнительно экспериментальным путем до начала эксплуатации устанавливают границу обледенения Р_вклПОС при условии, что значение Р_вклПОС меньше P_пред; в режиме эксплуатации дополнительно строят график зависимости от времени показателя значения перепада давления Р_вклПОС, и в режиме реального времени визуально сравнивают показатели Р_пред и Р_вклПОС с фактическим значением перепада давления на защитной сетке Р_ф; если фактическое значение перепада давления на защитной сетке Р_ф достигло или превысило значение перепада давления Р_вклПОС, принимают решение о включении противообледенительной системы.

3. Способ эксплуатации газотурбинного двигателя по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно на пульт управления в режиме реального времени выводят графики разностей между исходным значением перепада давления на защитной сетке Р_исх и фактическим значением перепада давления Р_ф. для дополнительной оценки роста сопротивления на входе в двигатель.

4. Способ эксплуатации газотурбинного двигателя 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.