Способ эксплуатации газотурбинной установки Российский патент 2024 года по МПК G01M15/14 

Изобретение относится к диагностике технического состояния узлов газотурбинного двигателя (ГТД) в процессе эксплуатации газотурбинной установки (ГТУ) для принятия решения по их обслуживанию и дальнейшей эксплуатации установки.

Известен способ диагностики технического состояния газотурбинного двигателя в котором для диагностики по его любому узлу для последнего выбирают по меньшей мере два параметра, характеризующие его работоспособность, и экспериментально определяют их предельно допустимые значения отклонений для данного типа двигателя, после чего в ходе работы двигателя в текущий момент времени вычисляют среднее значение для каждого выбранного параметра за предшествующий короткий и длинный временной периоды при отношении короткого временного периода к длинному в интервале 0,002-0,1 и определяют их разность, далее вычисляют отношение полученных разностей к соответствующим предельно допустимым значениям отклонений параметров, а затем суммируют их и если полученная сумма отношений превышает единицу, то делают вывод о неисправности диагностируемого двигателя, (патент РФ №2745820, МПК G01M 15/14, опубликован: 01.04.2021).

Также известен способ эксплуатации газотурбинной установки, включающий измерение температуры масла на сливе из каждой опоры роторов газотурбинной установки на неизменном режиме по частотам вращения роторов на базе времени не менее 2-х минут, предшествующих текущему измерению, вычисление среднего значения температуры масла на сливе и сравнение его с текущим значением при тех же частотах вращения и при отклонении текущего значения температуры масла на сливе более чем на 2°С формирование сигнала об изменении технического состояния деталей в конкретной опоре ротора, (патент РФ №2774563, МПК G01M 15/14, опубликован: 21.06.2022).

Из известных решений наиболее близким к предложенному является диагностика температурного состояния деталей в условиях эксплуатации ГТУ и прогнозирование ее технического состояния с целью предупреждения вынужденных отказов в работе, повышения эффективности эксплуатации, определения сроков ремонта ГТУ. (Поршаков Б.П. Газотурбинные установки: Учеб. для вузов. - М.: Недра, 1992. - стр. 180-181).

Недостатком аналогов и прототипа изобретения является отсутствие возможности раннего обнаружения неисправностей узлов ГТД: на начальном этапе их развития, за несколько часов до достижения значениями параметров ГТД своих предупредительных и аварийных уровней. Это связано с тем, что в известных решениях параметры ГТД анализируются на сравнительно коротких интервалах времени. Такой недостаток не позволяет вовремя провести техническое обслуживание или ремонт узлов ГТД и сократить связанные с ними затраты.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении эксплуатационной экономичности ГТУ за счет своевременного определения в процессе эксплуатации необходимости ее технического обслуживания или ремонта и выявления узлов, техническое состояние которых ухудшилось.

Техническим результатом изобретения является раннее выявление в процессе эксплуатации ГТУ ухудшения технического состояния опор ротора силовой турбины (СТ) ГТД, заключающегося в коксовании масла или износе и повреждении подшипников.

Технический результат достигается тем, что в способе эксплуатации газотурбинной установки, включающем диагностику температурного состояния деталей, новым является то, что во время работы ГТУ в текущий момент времени измеряют и регистрируют температуры масла на сливе с передней и задней опор ротора СТ ГТД, вычисляют и регистрируют среднее значение ΔТср разности температур масла на сливе с передней и задней опор ротора СТ за предшествующие 3 минуты, определяют разность значений ΔТср, рассчитанных в текущий момент времени и за 3 часа до него, если абсолютное значение полученной разности составляет более 30% значения ΔТср, вычисленного за 3 часа до текущего момента времени, при ее положительном значении формируют сигнал об ухудшении технического состояния передней опоры ротора СТ ГТД, а при ее отрицательном значении формируют сигнал об ухудшении технического состояния задней опоры ротора СТ ГТД. Если абсолютное значение разности значений ΔТср, рассчитанных в текущий момент времени и за 3 часа до него, не превосходит 30% значения ΔТср, вычисленного за 3 часа до текущего момента времени, определяют разность значений ΔТср, рассчитанных в текущий момент времени и за 6 часов до него, если абсолютное значение полученной разности составляет более 30% значения ΔТср, вычисленного за 6 часов до текущего момента времени, при ее положительном значении формируют сигнал об ухудшении технического состояния передней опоры ротора СТ ГТД, а при ее отрицательном значении формируют сигнал об ухудшении технического состояния задней опоры ротора СТ ГТД.

На фиг. 1 приведены графики изменения температур масла на сливе с передней и задней опор ротора СТ ГТД в течение 13 часов до выявления ухудшения технического состояния задней опоры ротора СТ эксплуатационным персоналом ГТУ без использования предлагаемого способа. На фиг. 2 отображены средние значения разности температур масла на сливе с опор ротора СТ ГТД, рассчитанные на интервале времени 3 минуты по данным, показанным на фиг. 1. На фигурах штриховой вертикальной линией обозначено время обнаружения ухудшения технического состояния задней опоры ротора СТ по резкому и значительному росту температур масла на сливе с опор ротора СТ ГТД, штрихпунктирными вертикальными линиями отмечены моменты времени раннего выявления ухудшения технического состояния задней опоры ротора СТ по сигналам, формируемым предлагаемым способом.

В процессе эксплуатации ГТУ развитие неисправностей опор ротора СТ ГТД, как правило, происходит постепенно, в течение продолжительного времени: до нескольких десятков часов. При этом параметры, характеризующие техническое состояние опор ротора СТ ГТД, изменяются незначительно и их значения находятся в допустимых диапазонах. Ухудшение циркуляции масла в опоре ротора СТ ГТД, увеличение трения в ее подшипниках на начальном этапе развития неисправности приводят к плавному повышению температуры масла на сливе с этой опоры. На температуры масла на сливе с опор ротора СТ влияют одинаковые факторы и поэтому при исправном состоянии опор они изменяются практически синхронно. Асинхронное изменение температур масла на сливе с опор ротора СТ свидетельствует об ухудшении технического состояния одной из опор ротора СТ ГТД. На выявление такого изменения направлен предлагаемый способ, он позволяет обнаружить неисправность опоры ротора СТ на ранней стадии развития, за продолжительное время до ее проявления в виде резкого и значительного роста температуры масла на сливе с этой опоры. Часто встречающейся неисправностью является коксование масла в опорах ротора СТ ГТД.

Для раннего выявления ухудшения технического состояния опор ротора СТ ГТД во время работы ГТУ измеряют и регистрируют температуры масла на сливе с передней и задней опор ротора СТ ГТД с интервалом 5 секунд. В текущий момент времени вычисляют и регистрируют среднее значение ΔТср разности температур масла на сливе с передней и задней опор ротора СТ за предшествующие 3 минуты. Регистрация измеренных и вычисленных значений предполагает их сохранение для дальнейшего использования в будущие моменты времени. Усреднение разности температур масла на сливе с опор ротора СТ необходимо для уменьшения величины возможных резких колебаний их значений, это позволяет снизить вероятность получения некорректных результатов при применении предлагаемого способа. Выбранные интервал измерения температур масла на сливе с опор ротора СТ и период усреднения значений их разности позволяют своевременно обнаруживать резкие изменения этих параметров. Определением разности температур масла на сливе с опор ротора СТ ГТД выделяются их изменения, вызванные индивидуальными для каждой опоры ротора СТ причинами, при этом исключаются составляющие температур, обусловленные воздействием одинаково влияющих на эти температуры факторов. Далее определяют разность значений ΔТср, рассчитанных в текущий момент времени и за 3 часа до него. Если абсолютное значение полученной разности составляет более 30% значения ΔТср, вычисленного за 3 часа до текущего момента времени, при ее положительном значении формируют сигнал об ухудшении технического состояния передней опоры ротора СТ ГТД, а при ее отрицательном значении формируют сигнал об ухудшении технического состояния задней опоры ротора СТ ГТД. Если выполненные действия не привели к обнаружению ухудшения технического состояния какой-либо из опор ротора СТ определяют разность значений ΔТср, рассчитанных в текущий момент времени и за 6 часов до него. Если абсолютное значение полученной разности составляет более 30% значения ΔТср, вычисленного за 6 часов до текущего момента времени, при ее положительном значении формируют сигнал об ухудшении технического состояния передней опоры ротора СТ ГТД, а при ее отрицательном значении формируют сигнал об ухудшении технического состояния задней опоры ротора СТ ГТД. Определение разности значений ΔТср, вычисленных с интервалом времени 3 или 6 часов, выполняется для обнаружения медленных изменений температур масла на сливе с опор ротора СТ ГТД, происходящих на начальном этапе развития неисправностей этих опор. Значение 30% изменения величины ΔТср, при превышении которого формируют сигнал об ухудшении технического состояния одной из опор ротора СТ, используется для повышения достоверности результатов применения предлагаемого способа. Данное значение может быть выбрано индивидуально для конкретной ГТУ на основе анализа истории изменения температур масла на сливе с опор ротора СТ ГТД.

Для демонстрации примера применения предлагаемого способа с подтверждением возможности его использования для раннего выявления развивающихся неисправностей опор ротора СТ ГТД использованы исторические данные температур масла на сливе с передней и задней опор ротора СТ ГТД АЛ-31СТ в задней опоре СТ которого произошло коксование масла. В процессе работы ГТУ эти температуры измерялись и регистрировались с интервалом 5 секунд. Последовательно для каждого момента времени в исторических данных проведен расчет и регистрация среднего значения ΔТср разности отсчетов температур масла на сливе с передней и задней опор ротора СТ ГТД, полученных за предшествующие 3 минуты, определена разность значений ΔТср, вычисленных для анализируемого момента времени и момента времени за 3 часа до него, ее абсолютное значение выражено в процентах от значения ΔТср, рассчитанного для момента времени на 3 часа раньше анализируемого, найдена разность значений ΔТср, вычисленных для анализируемого момента времени и момента времени за 6 часов до него, ее абсолютное значение выражено в процентах от значения ΔТср, рассчитанного для момента времени на 6 часов раньше анализируемого.

В таблице представлены результаты расчетов для 3 анализируемых моментов времени в исторических данных температур масла на сливе с опор ротора СТ ГТД. Эти моменты времени и соответствующие им рассчитанные значения ΔТср указаны в строках 1, 4 и 7 таблицы. В последующих двух строках приведены момент времени на 3 и 6 часов раньше анализируемого, значение ΔТср, вычисленное для этого момента времени, разность значений ΔТср, вычисленных для анализируемого момента времени и указанного в строке, ее абсолютное значение, выраженное в процентах от значения ΔТср, приведенного в строке.

На фиг. 1 и фиг. 2 приведены графики изменения температур масла на сливе с опор ротора СТ ГТД и вычисленного среднего значения их разности в течение 13 часов до обнаружения ухудшения технического состояния опоры ротора СТ без использования предлагаемого способа.

Временем обнаружения ухудшения технического состояния опоры ротора СТ ГТД без использования предлагаемого способа считаем момент начала снижения эксплуатационным персоналом ГТУ частоты вращения ротора СТ после выявления резкого и значительного роста температур масла на сливе с опор ротора СТ ГТД или достижения их значениями уровней предупредительной сигнализации. Это время отмечено на фигурах штриховой вертикальной линией и равно 19 часам 2 минутам и 20 секундам.

Обозначения на фигурах:

Т1002 - температура масла на сливе с передней опоры ротора СТ ГТД,°С;

Т1003 - температура масла на сливе с задней опоры ротора СТ ГТД,°С;

ΔТср - среднее значение разности температур масла на сливе с передней и задней опор ротора СТ ГТД,°С.

На фиг. 1 температуры Т1002 и Т1003 в первые часы изменяются синхронно, затем происходит рассогласование их изменения, свидетельствующее об ухудшении технического состояния одной из опор ротора СТ ГТД.

Для момента времени, указанного в строке 1 таблицы, ухудшения технического состояния какой-либо опоры ротора СТ ГТД не обнаружено, так как выраженные в процентах абсолютные величины разностей значений ΔТср, вычисленных для этого момента времени и момента времени на 3 и 6 часов раньше него, не превысили установленного значения 30%.

В момент времени в исторических данных температур масла на сливе с опор ротора СТ ГТД, указанный в строке 4 таблицы, впервые обнаружено ухудшение технического состояния задней опоры ротора СТ ГТД, поскольку выраженная в процентах абсолютная величина разности значений ΔТср, рассчитанных для этого момента времени и за 6 часов до него, превысила 30%, а значение этой разности оказалось отрицательным. При этом выраженная в процентах абсолютная величина разности значений ΔТср, вычисленных для времени, указанном в строке 4 таблицы, и на 3 часа раньше него, составила менее 30%. Это наиболее раннее обнаружение ухудшения технического состояния задней опоры ротора СТ ГТД произошло за 5 часов 12 минут до того, как оно было выявлено эксплуатационным персоналом ГТУ без использования предлагаемого способа.

При контроле исключительно разности значений ΔТср, вычисленных для моментов времени с интервалом 3 часа, первое раннее обнаружение ухудшения технического состояния задней опоры ротора СТ ГТД произошло в момент времени, приведенный в строке 7 таблицы, на 3 часа 53 минуты раньше времени обнаружения этого ухудшения технического состояния без использования предлагаемого способа. Анализ разности значений ΔТср, вычисленных для этого момента времени и за 6 часов до него, закономерно показал такой же результат. Контроль только разности значений ΔТср, вычисленных для моментов времени с интервалом 3 часа, может использоваться для раннего выявления развивающихся неисправностей опор ротора СТ ГТД при недоступности исторических значений температур масла на сливе с этих опор на интервалах времени более 3 часов, например, после запуска ГТУ в работу.

Моменты времени раннего обнаружения ухудшения технического состояния задней опоры ротора СТ ГТД, указанные в строках 4 и 7 таблицы, отмечены на фигурах штрихпунктирной вертикальной линией.

Приведенный пример применения предлагаемого способа показывает возможность его использования для раннего обнаружения в процессе эксплуатации ГТУ развивающихся неисправностей опор ротора СТ ГТД. При этом выявляется конкретная опора ротора СТ ГТД, техническое состояние которой ухудшилось. Обнаружение ухудшения технического состояния опоры ротора СТ ГТД при применении данного способа происходит до нескольких часов раньше, чем без его использования. Такое раннее обнаружение развивающейся неисправности опоры ротора СТ ГТД позволяет своевременно провести техническое обслуживание или ремонт этой опоры и вспомогательных систем, когда ухудшение технических характеристик или повреждения деталей узлов незначительны. При этом снижаются затраты на выполняемые работы, что в результате приводит к повышению эксплуатационной экономичности ГТУ.

Изобретение относится к диагностике технического состояния узлов газотурбинного двигателя (ГТД) в процессе эксплуатации газотурбинной установки (ГТУ) для принятия решения по их обслуживанию и дальнейшей эксплуатации установки. Способ эксплуатации газотурбинной установки включает диагностику температурного состояния деталей. Во время работы ГТУ в текущий момент времени измеряют и регистрируют температуры масла на сливе с передней и задней опор ротора силовой турбины (СТ) ГТД. Затем вычисляют и регистрируют среднее значение ΔТср разности температур масла на сливе с передней и задней опор ротора СТ за предшествующие 3 мин. Далее определяют разность значений ΔТср, рассчитанных в текущий момент времени и за 3 ч до него. Если абсолютное значение полученной разности составляет более 30% значения ΔТср, вычисленного за 3 ч до текущего момента времени, при ее положительном значении формируют сигнал об ухудшении технического состояния передней опоры ротора СТ ГТД, а при ее отрицательном значении формируют сигнал об ухудшении технического состояния задней опоры ротора СТ ГТД. Применение предлагаемого способа обеспечивает обнаружение ухудшения технического состояния опоры ротора СТ ГТД до нескольких часов раньше, чем это произойдет без его использования. Такое раннее выявление ухудшения технического состояния опоры ротора СТ ГТД позволяет снизить затраты на ее техническое обслуживание и ремонт, что приводит к повышению эксплуатационной экономичности ГТУ. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ эксплуатации газотурбинной установки, включающий диагностику температурного состояния деталей, отличающийся тем, что во время работы газотурбинной установки в текущий момент времени измеряют и регистрируют температуры масла на сливе с передней и задней опор ротора силовой турбины газотурбинного двигателя, вычисляют и регистрируют среднее значение ΔТср разности температур масла на сливе с передней и задней опор ротора силовой турбины за предшествующие 3 минуты, определяют разность значений ΔТср, рассчитанных в текущий момент времени и за 3 часа до него, если абсолютное значение полученной разности составляет более 30% значения ΔТср, вычисленного за 3 часа до текущего момента времени, при ее положительном значении формируют сигнал об ухудшении технического состояния передней опоры ротора силовой турбины газотурбинного двигателя, а при ее отрицательном значении формируют сигнал об ухудшении технического состояния задней опоры ротора силовой турбины газотурбинного двигателя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что если абсолютное значение разности значений ΔТср, рассчитанных в текущий момент времени и за 3 часа до него, не превосходит 30% значения ΔТср, вычисленного за 3 часа до текущего момента времени, определяют разность значений ΔТср, рассчитанных в текущий момент времени и за 6 часов до него, если абсолютное значение полученной разности составляет более 30% значения ΔТср, вычисленного за 6 часов до текущего момента времени, при ее положительном значении формируют сигнал об ухудшении технического состояния передней опоры ротора силовой турбины газотурбинного двигателя, а при ее отрицательном значении формируют сигнал об ухудшении технического состояния задней опоры ротора силовой турбины газотурбинного двигателя.