Способ управления турбогенератором Российский патент 2020 года по МПК F02C9/00 F01D1/00 F01D21/02 

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в системах автоматического управления газотурбинными двигателями, в том числе применяемыми в составе газотурбинных установок.

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ управления турбогенератором, заключающийся в том при превышении частотой вращения ротора турбогенератора (7) первого порога (8) приводится в действие отсечное устройство, так же отсечное устройство приводится в действие, когда текущими значениями частоты вращения ротора турбогенератора (7) превышены второй порог по частоте вращения (9), так и значение ускорения ротора турбогенератора (12), причем порог по частоте вращения выше 103% номинального значения, а порог по ускорению не менее 80% специфического для турбогенератора граничного значения.

(см. патент №ЕР 1870565 А1, кл. F01D 21/02, F02C 9/28, 2006 г.)

В результате анализа данного способа необходимо отметить, что известный способ выполняет аварийный останов двигателя как при превышении частотой вращения ротора турбогенератора порога (8), так и превышении ускорения ротора турбогенератора порога (12), если частота так же выше второго порога (9), что приводит к повышению частоты аварийных остановов двигателя и снижению безотказной работы системы.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение диапазона возмущений, которые могут парироваться без срабатывания защиты по максимально допустимой частоте вращения и повышение безотказной работы системы.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе управления турбогенератором, при котором по измеренному значению частоты вращения ротора турбогенератора формируют расход топлива для поддержания заданной частоты вращения ротора турбогенератора, формируют сигнал ускорения ротора турбогенератора, согласно настоящему изобретению, выбирают порог по частоте вращения ротора турбогенератора в диапазоне между заданным и максимально допустимым значениями частоты вращения ротора турбогенератора, формируют сигнал прогноза частоты вращения ротора турбогенератора как сумму сигналов текущего значения частоты вращения ротора турбогенератора и ускорения ротора турбогенератора, взятого с заранее выбранным коэффициентом усиления, сравнивают сигнал прогноза с выбранным порогом, и в случае, если он превышает порог, снижают расход топлива пропорционально разности сигнала прогноза и выбранного порога, а при превышении сигналом частоты вращения ротора турбогенератора или сигналом прогноза частоты вращения ротора турбогенератора заранее выбранного максимально допустимого значения прекращают подачу топлива.

В частном случае реализации при изменении заданной частоты вращения ротора турбогенератора изменяют порог по частоте вращения ротора турбогенератора для снижения расхода топлива на величину изменения заданной частоты вращения.

Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых представлена структурная схема системы управления, реализующая заявляемый способ управления и защиты турбогенератора (ТГ).

Система управления содержит задатчик 1 заданного значения частоты вращения ротора ТГ, подключенный к первому входу первого суммирующего усилителя 2. Выход первого суммирующего усилителя 2 подключен к входу регулятора 3 частоты вращения ротора ТГ, подключенного к первому входу второго суммирующего усилителя 4, который подключен к дозатору 5 расхода топлива. Дозатор 5 расхода топлива через отсечной клапан 6 подключен к камере сгорания (КС, на рисунке не показана) ТГ 7.

Система содержит датчик 8 частоты вращения ротора ТГ, выход датчика 8 подключен к второму входу первого суммирующего усилителя 2, компаратору 9, блоку дифференцирования 10 и второму входу третьего суммируюшего усилителя 11. к первому входу которого подключен выход блока дифференцирования 10.

Выход третьего суммирующего усилителя 11 подключен к первому входу четвертого суммирующего усилителя 12, ко второму входу которого подключен задатчик 13 уровня ограничения частоты вращения ротора ТГ. Выход суммирующего усилителя 12 через ограничитель 14 подключен ко второму входу второго суммирующего усилителя 4. Выход компаратора 9 подключен к управляющему входу отсечного клапана 6.

Для реализации заявленного способа управления в части отключения подачи топлива по сигналу прогноза частоты вращения ротора турбогенератора к компаратору 9 вместо датчика 8 частоты вращения должен быть подключен выход третьего суммирующего усилителя 11.

Для реализации заявленного способа управления по п. 2 формулы изобретения так же должна содержать задатчик 15 коррекции заданной частоты вращения ротора ТГ. Задатчик 15 должен быть подключен к третьему входу первого суммирующего усилителя 2 и к третьему входу четвертого суммирующего усилителя 12.

Система укомплектована стандартными датчиками, компараторами, суммирующими усилителями, блоками дифференцирования и ограничения сигналов.

В качестве задатчика 1 может быть использован задатчик постоянного значения. Значение выходного сигнала задатчика может быть установлено, например, на номинальную частоту вращения ротора ТГ (n_ТГном=100%).

В качестве регулятора 3 может быть использован стандартный ПИД-регулятор.

В качестве датчика 8 может быть использован индуктивный датчик частоты вращения.

Порог срабатывания компаратора 9 назначается равным максимально допустимой частоте вращения n_ТГмах.

В качестве задатчика 13 может быть использован задатчик постоянного значения. Значение выходного сигнала задатчика выбирается в диапазоне между номинальной частотой вращения ротора ТГ, и максимальной допустимой частой вращения ротора ТГ (n_ТГмах=110%), например n_ТГогр=103%.

Ограничитель 14 настроен таким образом, что ограничивает входной сигнал положительными значениями.

Коэффициент усиления первого входа первого суммирующего усилителя 1 выбирается равным единице, второго - минус единице. При наличии третьего входа (для реализации системы по п. 2 формулы изобретения), его коэффициент усиления выбирается равным единице.

Коэффициент усиления первого входа второго суммирующего усилителя 4 выбирается равным единице, коэффициент усиления второго входа выбирается из условия эффективного парирования заброса по частоте вращения цепью элементов 10…14 в диапазоне 0,5…2.

Коэффициент усиления первого входа третьего суммирующего усилителя 11 выбирается равным постоянной времени ротора ТГ (K_Тпрогн), второго входа - равным единице.

Коэффициент усиления первого входа четвертого суммирующего усилителя 9 выбирается равным единице, второго входа - равным минус единице. При наличии третьего входа (для реализации заявленного способа управления в части отключения подачи топлива по сигналу прогноза частоты вращения ротора турбогенератора), его коэффициент усиления выбирается равным единице.

Отсечной клапан 6 закрывается при подаче на его управляющий вход сигнала логической единицы.

Система работает следующим образом.

Сумматор 2 по сигналу частоты вращения ротора ТГ датчика 8 и сигналу задатчика 1 заданной частоты вращения формирует отклонение частоты вращения ротора от заданной. Регулятор 3 частоты вращения ротора ТГ формирует заданный расход топлива, обеспечивающий снижение данного отклонения до нуля и тем самым поддерживает частоты вращения ротора ТГ на заданном уровне n_ТГном. Расход топлива через дозатор 5 поступает в КС ТГ 7.

Сигнал текущей частоты вращения ротора ТГ, измеренной датчиком 8, поступает на вход блока 10 дифференцирования, который формирует производную частоты вращения dn_TГ/dt - сигнал ускорения ротора ТГ. Сигнал ускорения ротора ТГ поступает на первый вход суммирующего усилителя 11, на второй вход которого поступает сигнал текущей частоты вращения. На выходе суммирующего усилителя 11 в соответствии с выбранными коэффициентами усиления его входов формируется сигнал прогноза частоты вращения ротора ТГ:

n_{ТГпрогн}=(n_ТГ+dnтк/dt * K_Тпрогн)

На суммирующем усилителя 12 формируется сигнал разности прогноза частоты вращения и выбранного уровня ограничения:

Δn_ТГ=n_{ТГпрогн}-n_ТГогр.

Ограничитель 14 ограничивает сигнал положительными значениями

Δn_ТГ≥0

При действии небольших возмущений, действующих на ТГ, сигнал прогноза частоты вращения ротора ТГ, формируемый суммирующим усилителем 11 не превышает заданный задатчиком 13 уровень ограничения, на выходе суммирующего усилителя 12 формируется отрицательный сигнал, на выходе ограничителя 14 - нулевой сигнал, и расход топлива в КС ТГ 7 определяется только регулятором 3. При этом частота вращения ротора ТГ ниже порога срабатывания компаратора 9 и отсечной клапан 6 открыт.Расход, топлива от регулятора 3 через дозатор 5 поступает в КС ТГ 7.

При действии больших возмущений, приводящих к увеличению частоты вращения ротора ТГ с большим темпом, сигнал прогноза частоты вращения ротора ТГ может превысить заданный задатчиком 13 уровень ограничения. При этом на выходе суммирующего усилителя 12 будет сформирован положительный сигнал, который не ограничивается блоком 14 и приведет к формированию на втором входе суммирующего усилителя 4 положительного сигнала. Это приведет к дополнительному снижению расхода топлива, формируемого регулятором 3 частоты вращения ротора ТГ и снижению темпа роста частоты вращения ротора ТГ, а затем и к снижению самой частоты. При снижении сигнала прогноза частоты вращения ротора ТГ на сумматоре 11 до уровня ограничения задатчика 13 сигнал на выходе суммирующего усилителя 12 падает до нуля, и расход в КС ТГ 7 снова начинает определяться только регулятором 3.

Если сигнал частоты вращения не достигает предельного уровня n_ТГmах срабатывания компаратора 9 не происходит, и отсечной клапан 6 остается открыт.

Если система не в состоянии удержать частоту вращения ротора ТГ на уровне ниже предельного уровня n_ТГmах на выходе компаратора 9 формируется сигнал логической единицы, что приводит к закрытию отсечного клапана 6. Расход топлива прекращает поступать в КС ТГ 7 и происходит аварийный останов.

Максимальные значения параметров регулятора 3 частоты вращения ограничены, так как выбираются из условия обеспечения его устойчивости. Как следствие, его быстродействие и возможности по парированию действующих возмущений ограничены, и резкая разгрузка ротора ТГ может приводить к забросу по частоте вращения до предельной и аварийному останову. Дополнительное снижение расхода топлива, формируемое цепью элементов 10…14, позволяет снизить заброс по частоте вращения ротора ТГ при сохранении устойчивости регулятора 3. Тем самым в (1,5…2,0) раза расширяется диапазон возмущений, которые могут парироваться системой без срабатывания защиты по максимально допустимой частоте вращения.

Так как порог вступления в работу цепи элементов 10…14, определяемый уровнем сигнала задатчика 13, выше заданного значения частоты вращения ротора ТГ, определяемой задатчиком 1, цепь вступает в работу только при превышении заданного значения и не оказывает влияния на устойчивость регулятора 3.

Стоит отметить, что у любой системы существует ненулевое время реакции, у исполнительных механизмов тоже. Закрытие отсечного клапана 6 может осуществляться за время 0,1…0.2 с. Поэтому, когда частота вращения ротора ТГ достигает предельного уровня n_ТГmax пока клапан не закроется топливо все еще продолжит поступать в КС и частота может превысить предельный уровень. Для снижения вероятности необходимо закрывать клапан заранее. Целесообразно в качестве сигнала для срабатывания компаратора 12 использовать сигнал прогноза частоты вращения ротора ТГ, формируемого суммирующем усилителем 8. Тогда, сигнал на закрытие отсечного клапана подастся, когда частота еще не превысила предельный уровень, а фактическое закрытие клапана произойдет вместе с достижением частоты предельного значения n_ТГmax и оно не будет превышено.

Часто возникает необходимость снизить уставку по частоте вращения ротора ТГ, например, при высокой температуре на входе. При этом так же необходимо дополнительно снижать расход при превышении скорректированного заданного значения.

Для снижения заданной частоты вращения используется задатчик 15. Например, необходимо снизить частоту вращения на 3%, задатчик 15 формирует на своем выходе сигнал -3%, задатчик 1 заданного значения продолжает формировать на своем выходе сигнал 100%, на суммирующем усилителе сигналы складываются, что приводит к изменению уставки, поступающей в регулятор и снижению режима работы ТГ. Параллельно сигнал задатчика 15 поступает на вход суммирующего усилителя 12, что эквивалентно снижению задатчиком 13 уровня своего ограничения на 3%.

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в системах автоматического управления газотурбинными двигателями, в том числе применяемыми в составе газотурбинных установок. Техническим результатом настоящего изобретения является расширение диапазона возмущений, которые могут парироваться без срабатывания защиты по максимально допустимой частоте вращения, и повышение безотказной работы системы. Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе управления турбогенератором, при котором по измеренному значению частоты вращения ротора турбогенератора формируют расход топлива для поддержания заданной частоты вращения ротора турбогенератора, формируют сигнал ускорения ротора турбогенератора, согласно настоящему изобретению выбирают порог по частоте вращения ротора турбогенератора в диапазоне между заданным и максимально допустимым значениями частоты вращения ротора турбогенератора, формируют сигнал прогноза частоты вращения ротора турбогенератора как сумму сигналов текущего значения частоты вращения ротора турбогенератора и ускорения ротора турбогенератора, взятого с заранее выбранным коэффициентом усиления, сравнивают сигнал прогноза с выбранным порогом и, в случае если он превышает порог, снижают расход топлива пропорционально разности сигнала прогноза и выбранного порога, а при превышении сигналом частоты вращения ротора турбогенератора или сигналом прогноза частоты вращения ротора турбогенератора заранее выбранного максимально допустимого значения прекращают подачу топлива. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления турбогенератором, при котором по измеренному значению частоты вращения ротора турбогенератора формируют расход топлива для поддержания заданной частоты вращения ротора турбогенератора, формируют сигнал ускорения ротора турбогенератора, отличающийся тем, что выбирают порог по частоте вращения ротора турбогенератора в диапазоне между заданным и максимально допустимым значениями частоты вращения ротора турбогенератора, формируют сигнал прогноза частоты вращения ротора турбогенератора как сумму сигналов текущего значения частоты вращения ротора турбогенератора и ускорения ротора турбогенератора, взятого с заранее выбранным коэффициентом усиления, сравнивают сигнал прогноза с выбранным порогом и, в случае если он превышает порог, снижают расход топлива пропорционально разности сигнала прогноза и выбранного порога, а при превышении сигналом частоты вращения ротора турбогенератора или сигналом прогноза частоты вращения ротора турбогенератора заранее выбранного максимально допустимого значения прекращают подачу топлива.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при изменении заданной частоты вращения ротора турбогенератора изменяют порог по частоте вращения ротора турбогенератора для снижения расхода топлива на величину изменения заданной частоты вращения.