СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ПОМПАЖА КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR DIAGNOSING SURGING OF GAS TURBINE ENGINE COMPRESSOR AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области двигателестроения, может быть использовано для надежного и своевременного диагностирования помпажа газотурбинного двигателя (ГТД) и позволяет диагностировать неустойчивый режим работы компрессора путем измерения рабочих параметров ГТД, вычисления границы устойчивости и определения местоположения операционной точки относительно линии помпажа.
Известен способ диагностики помпажа компрессора [патент РФ №2263234 C1, F04D 27/02, опубл. 27.10.2005], в котором микроконтроллером 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. Способ реализуется устройством, содержащим датчик давления на входе, датчик давления за компрессором, датчик частоты вращения ротора и микроконтроллер, который определяет знаки и величину производных по времени от этих параметров, сравнивает каждую производную со своим пороговым значением.
Недостатком данного способа и устройства, его реализующего, является ложное положительное срабатывание устройства в случае изменения режима работы, например, при сбросе газа, при котором производные давления за компрессором и частоты вращения ротора также могут превысить свои пороговые значения без возникновения помпажа. Третий параметр - давление на входе в компрессор, не является показательным, поскольку зависит не только от режима работы двигателя, но и от большого числа факторов, определяемых высотой и скоростью полета летательного аппарата.
Известен способ [патент РФ №2187711, МПК F04D 27/02, опубл. 20.08.2002], в котором микроконтроллером вычисляют две первые производные яркостной температуры роторной лопатки турбины и первую производную давления, сравнивают температурные параметры и давление с их пороговыми значениями и формируют сигнал о начале помпажа, при одновременном выходе первых производных яркостной температуры и давления за компрессором за их пороговые значения. Способ реализуется устройством, в котором используется яркостной пирометр для измерения яркостной температуры поверхности роторной лопатки турбины, датчик давления на выходе компрессора, микроконтроллер, измеряющий две первые производные яркостной температуры роторной лопатки турбины и первую производную давления, сравнивающий температурные параметры и давление с их пороговыми значениями и формирующий сигнал о начале помпажа, при одновременном выходе первых производных яркостной температуры и давления за компрессором за их пороговые значения.
К недостаткам этого способа и устройства относятся инерциальность измерения температуры, связанная с временной задержкой нагрева поверхности роторной лопатки, возможность формирования ложного сигнала о начале помпажа при нестационарных режимах работы, например при переходе из номинального режима в режим «малого газа», возможность формирования ложного сигнала о начале помпажа из-за отказа системы охлаждения рабочих поверхностей ГТД.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ [патент РФ №2527850, МПК F04D 27/02, опубл. 10.09.2014], заключающийся в измерении температуры за камерой сгорания и вычислении ее первой производной, измерении разницы давления воздуха на входе и выходе компрессора двигателя и вычислении ее первой производной, измерении расхода топлива и вычислении ее первой производной, измерении угловой скорости вращения ротора и ее первой производной, сравнении производных измеряемых параметров с их пороговыми значениями и определении помпажа при выходе нескольких производных за пороговые значения. Способ реализуется устройством, включающим в себя датчик мгновенного расхода топлива, датчики давления на входе и выходе компрессора, датчик угловой скорости ротора турбины ГТД, пирометр спектрального отношения с возможностью измерения температуры газа за камерой сгорания, подключенные к микроконтроллеру, соединенным с выводом к противопомпажной системе.
К недостаткам этого устройства относятся недостаточная неравномерная точность на разных режимах работы ГТД, линейная зависимость пороговых значений от мгновенного расхода топлива, а также недостаточная точность диагностирования помпажа на режимах работы, близких к граничным условиям двигателя.
Задача изобретения заключается в повышении точности и надежности определения начала помпажа на всех режимах работы.
Техническим результатом данного изобретения является повышение точности, быстродействия и достоверности определения начала помпажа на всех режимах работы ГТД.
Задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе диагностики помпажа компрессора газотурбинного двигателя, заключающемся в измерении температуры за камерой сгорания и вычислении ее первой производной, измерении разницы давления воздуха на входе и выходе компрессора двигателя и вычислении ее первой производной, измерении расхода топлива и вычислении ее первой производной, измерении угловой скорости вращения ротора и ее первой производной, сравнении производных измеряемых параметров с их пороговыми значениями и определении помпажа при выходе нескольких производных за пороговые значения, в отличие от прототипа измеряют вибрацию ротора за компрессором низкого давления и за компрессором высокого давления, вычисляют среднеквадратичное отклонение вибраций и сравнивают с его пороговым значением, вычисляют вейвлет-преобразование Койфлета вибрации и сравнивают частоты экстремумов с эталонными значениями, корректируют пороговые значения рабочих параметров при совпадении частот экстремумов вейвлет-преобразования Койфлета вибраций с эталонными значениями.
Задача решается, а технический результат достигается также тем, что в устройстве для диагностики помпажа компрессора газотрубинного двигателя, включающем датчик мгновенного расхода топлива, датчики давления на входе и выходе компрессора, датчик угловой скорости ротора турбины ГТД, пирометр спектрального отношения с возможностью измерения температуры газа за камерой сгорания, подключенные к микроконтроллеру, соединенному с выводом к противопомпажной системе, в отличие от прототипа содержит датчик вибрации ротора за компрессором низкого давления и датчик вибрации ротора за компрессором высокого давления, подключенные к микроконтроллеру, соединенному с выводом к противопомпажной системе.
Отличительными признаками способа являются измерение вибрации ротора газотурбинного двигателя за компрессором низкого давления и за компрессором высокого давления, вейвлет-преобразование вибраций ротора, а также сравнение вейвлет-преобразований с характерными паттернами предпомпажного состояния. Сравнение вибрации с соответствующим пороговым значением включается в мажоритарное голосование о наличии помпажа, что повышает надежность и точность изобретения. При совпадении вейвлет-преобразования вибрации с паттерном предпомпажного состояния, результаты измерения рабочих параметров и их первых производных подвергаются фильтрации для избегания срабатывания системы в случае единичного выхода измеряемых параметров за пороговое значение, что позволяет избежать ложного положительного срабатывания устройства близ границы устойчивости газотурбинного двигателя.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена структурная схема устройства диагностики помпажа газотурбинного двигателя.
Устройство для диагностики помпажа компрессора газотрубинного двигателя содержит датчик мгновенного расхода топлива 1, датчик давления на входе компрессора 2, датчик давления на выходе компрессора 3, датчик угловой скорости вращения ротора турбины ГТД 4, пирометр спектрального отношения 5, датчики вибрации 6 и 7, подключенные к микроконтроллеру 8, связанному с выходом к противопомпажной системе 9. Пирометр спектрального отношения 5 расположен таким образом, чтобы измерять температуру газа за камерой сгорания. Датчик вибрации ротора за компрессором низкого давления 6 и датчик вибрации ротора за компрессором высокого давления 7 измеряют вибрацию ротора за компрессором низкого и высокого давления соответственно.
Устройство для диагностики помпажа компрессора газотурбинного двигателя работает следующим образом: датчик мгновенного расхода топлива 1, датчики давления на выходе и входе компрессорам 2 и 3, датчик угловой скорости вращения ротора турбины 4, пирометр спектрального отношения 5, датчик вибрации ротора за компрессором низкого давления 6 и датчик вибрации ротора за компрессором высокого давления 7 передают результаты измерения микроконтроллеру 8, который вычисляет разницу давления на входе и выходе ΔР, среднеквадратичное отклонение вибраций, первые производные измеряемых параметров ∂Т/∂t, ∂ΔP/∂t, ∂ω/∂t, ∂G/∂t, а также дискретное вейвлет-преобразование Койфлета для вибрации ротора за компрессором низкого давления и вибрации ротора за компрессором высокого давления.
Пример конкретной реализации способа
Способ диагностики помпажа компрессора газотурбинного двигателя реализуется следующим образом. Исходя из знака производной мгновенного расхода топлива, определяется текущий режим работы двигателя: рост расхода топлива, постоянный расход топлива и падение расхода топлива. При росте (падении) мгновенного расхода топлива в беспомпажных режимах работы двигателя параметры Т, ΔР и ω соответственно растут (падают) и остаются неизменными при постоянном мгновенном расходе топлива. Возникновение помпажа определяют различным внешними факторами, что не зависит от текущего расхода топлива и сопровождается ростом температуры, снижением угловой скорости вращения ротора турбины и разницы давления на входе и выходе компрессора, а также повышением вибрации и возникновением автоколебаний. Использование цветовой температуры газа в камере сгорания позволяет существенно уменьшить временную задержку измерения температуры за камерой сгорания, в связи с практической безынерционностью газа, по сравнению с элементами конструкции ГТД. Использование разницы давления на входе и выходе компрессора является более показательным параметром, чем давление на выходе компрессора, так как позволяет учитывать атмосферное давление и избежать внесения дополнительных погрешностей, связанных с пороговыми значениями и атмосферным давлением. Использование датчиков вибрации позволяет отследить момент возникновения предвестников помпажа, при которых на короткое время резко уменьшается среднеквадратичное отклонение вибрации, а вейвлет-преобразование Койфлета позволит отследить появление характерных для помпажа автоколебаний, передающихся от воздушного тракта на рабочие элементы двигателя. Пороговые значения [∂Т/∂t], [∂ΔP/∂t], [∂ω/∂t] зависят от высоты, скорости полета, мгновенного расхода топлива, геометрических характеристик двигателя и рассчитываются микроконтроллером по функциональным зависимостям, полученными опытным путем. Пороговое значение среднеквадратичного отклонения вибрации не зависит от расхода топлива, но рассчитывается микроконтроллером на основании результатов измерений за последний отрезок времени. Также микроконтроллером определяют экстремумы койфлетов вибрации, частоты которых сравниваются с частотой экстремумов койфлетами вибрации, характерных при помпаже. Для мажоритарного голосования используют условия выхода первых производных за их пороговые значения (∂T/∂t>[∂T/∂t], ∂ΔP/∂t<[∂ΔP/∂t], ∂ω/∂t<[∂ω/∂t]), а также условие выхода среднеквадратичного отклонения вибрации за соответствующее пороговое значение. Для формирования сигнала о начале помпажа достаточно выхода за пороговые значения производных двух параметров.
Заявленное изобретение позволяет добиться повышения быстродействия и достоверности определения начала помпажа на всех режимах работы.