Управление морским газотурбинным двигателем в условиях изменяющегося технического состояния его проточной части

А.З. Багерман, И.П. Леонова, А.В. Конопатова

ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург

УПРАВЛЕНИЕ МОРСКИМ ГАЗОТУРБИННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЕГО ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ

Изменение технического состояния проточной части газотурбинного двигателя в эксплуатации нарушает соответствие управляющих параметров и мощности двигателя. Система параметрической диагностики позволяет корректировать работу системы управления (СУ) в соответствии с техническим состоянием проточной части.

Объект и цель научной работы. Объектом исследования в данной работе является система диагностирования технического состояния проточной части морского газотурбинного двигателя (ГТД). Целью исследований стало изучение влияния неисправностей ГТД на его параметры (мощность и др.), а также возможности поддержания этих параметров в эксплуатации за счет корректировки.

Материалы и методы. В статье рассматривается пример изменения основных характеристик при типовой неисправности (солевой занос проточной части) реальной машины. Наличие неисправностей оценивается путем сравнения текущих измеряемых параметров с их исходными значениями.

Основные результаты. Предложен подход к организации управления ГТД с учетом технического состояния его проточной части, предполагающий ввод корректирующих коэффициентов в управляющие зависимости параметров, связанных со степенью развития неисправности проточной части двигателя.

Заключение. Полученные результаты показывают возможность и пути поддержания неизменной мощности двигателя и других параметров в эксплуатации при различном техническом состоянии проточной части ГТД.

Ключевые слова: газотурбинный двигатель, особенности эксплуатации, техническое состояние, неисправности проточной части, система управления, система параметрической диагностики, техническое диагностирование и мониторинг, управляющие параметры, корректировка параметров, режим, мощность.

Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

Для цитирования: Багерман А.З., Леонова И.П., Конопатова А.В. Управление морским газотурбинным двигателем в условиях изменяющегося технического состояния его проточной части. Труды Крыловского государственного научного центра. 2017; 3(381): 91-94.

УДК 629.5.03-843.8.004.6 DOI: 10.24937/2542-2324-2017-3-381-91-94

A.Z. Bagerman, I.P. Leonova, A.V. Konopatova

Krylov State Research Centre, Moskovskoe shosse 44, St. Petersburg, Russia

CONTROLLING MARINE GAS TURBINE WITH THE CHANGING TECHNICAL CONDITION OF THE FLOW PART

The change in technical condition of the gas turbine flow part in operation violates the correspondence between the control parameters and the engine power. The system of parametric diagnostics provides for correcting the operation of the control system based on the technical condition of the flow part.

Object and purpose of research. This paper studies the technical condition diagnostics system for the flow part of the marine gas turbine. The purpose of the study was to investigate how the failures of the gas turbine affect its performance parameters (power, etc.), as well as to investigate the possibility to maintain these parameters during operation through corrective measures.

Materials and methods. The study discusses an example of the changes in the main parameters in case of a typical failure (salt deposits in the flow part) of the real machine. The failures are identified by comparing current measured parameters versus their initial values.

Main results. The paper suggests an approach to organizing the control of the gas turbine considering the technical condition of its flow part and implying the introduction of correction coefficients into the controlling relationships of the parameters related to the extent of the flow part failure.

Conclusion. The obtained results demonstrate the possibility and the ways to maintain power and other parameters of the turbine in service with different technical condition of its flow part.

Keywords: gas turbine, operation specifics, technical condition, flow part failures, control system, system of parametric diagnostics, technical diagnostics and monitoring, control parameters, correction of parameters, working conditions, power.

Authors declare lack of the possible conflicts of interests.

For citations: Bagerman A.Z., Leonova I.P., Konopatova A.V. Controlling marine gas turbine with the changing technical condition of the flow part. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2017; 3(381): 91-94 (in Russian).

УДК 629.5.03-843.8.004.6 DOI: 10.24937/2542-2324-2017-3-381-91-94

В процессе эксплуатации газотурбинного двигателя характеристики его проточной части изменяются: как необратимо, в результате износа либо повреждения, так и временно, когда эти изменения можно устранить и вернуться к исходному состоянию ГТД.

На сегодняшний день система технического диагностирования проводит мониторинг и анализ теплотехнических параметров газотурбинного двигателя и определяет следующие неисправности ГТД, снижающие эффективность работы двигателя и приводящие к изменению расхода топлива по режимам работы:

протечки воздуха и газа из проточной части;

солевой занос проточной части.

Система управления двигателя обычно ориентирована на заданную связь количества топлива, подаваемого в двигатель, с заданным режимом его работы при исходном состоянии проточной части.

На рис. 1 показан пример взаимосвязи расхода топлива с режимом работы Азад.

Режим работы двигателя, в свою очередь, определяется частотой вращения турбокомпрессора (ТК) в однокомпрессорных двигателях со свободной силовой турбиной, либо с частотой вращения ротора турбокомпрессора высокого давления в двух-

ву, кг/ч 1,0

0,75 0,5

0,15

Т*

л

—1

—1 г

компрессорных двигателях со свободной силовой турбиной.

Что происходит с этими зависимостями для морского ГТД в эксплуатации? На примере неизбежной типовой неисправности - солевого заноса проточной части - рассматривается изменение характеристики двигателя.

Характеристика компрессора изменилась: напорность уменьшилась - изодромы сместились в сторону меньших напоров и расходов воздуха, режимная линия сместилась в сторону границы устойчивой работы (рис. 2).

Температура газа за турбиной компрессора увеличилась (рис. 3). Мощность двигателя при неизменном режиме работы (частоте вращения ротора турбокомпрессора) снизилась (рис. 4).

Достижение исходного значения мощности требует повышения температуры газа (рис. 5). Связь мощности двигателя с расходом топлива изменилась.

В результате при рассмотренном состоянии проточной части исходная управляющая зависимость (рис. 1) не будет обеспечивать свои функции по управлению двигателем.

Каждый газотурбинный двигатель в соответствии с ГОСТ 54403-2011 должен иметь в составе

КК 18 16 14 12 10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 Лзад,%

0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 GB

Рис. 1. Изменение относительного расхода топлива

в зависимости от сигнала управления G: =

Fig. 1. Changes in relative fuel consumption depending on the control signal GT

Рис. 2. Характеристика компрессора:

перед солевым заносом проточной части и после

Fig. 2. Compressor characteristic: before and after the salt deposit in the flow part

A.Z. Bagerman, I.P. Leonova, A.V. Konopatova Controlling marine gas turbine with the changing technical condition of the flow part

локальной системы управления (ЛСУ) систему параметрической диагностики, которая отслеживает техническое состояние двигателя, тренд его параметров.

Обычно тренд параметров оценивается путем сравнения текущих значений измеряемых параметров с их исходными значениями. Возможное изменение параметров по величине ограничено. Это ограничение относится к изменению температуры газа за турбиной компрессора либо за другой турбиной. Ограничение других параметров получается автоматически через их связи с температурой газа.

Связь параметров, таких как расход топлива, температура газа и другие в диапазоне мощностей от номинального до режима 0,5-0,6 носит линейный характер, оставаясь таковой и при солевом заносе проточной части двигателя в пределах допустимого изменения температуры газа, около 3 % (рис. 6).

В процессе эксплуатации в системе параметрической диагностики может формироваться текущая характеристика управляющих параметров, соответствующая текущему состоянию проточной части двигателя.

Полученная таким образом управляющая характеристика для системы регулирования будет управлять двигателем в соответствии с его техническим состоянием.

Техническое состояние ГТД в эксплуатации из-за солевого заноса ухудшается, требуя корректировки управляющих зависимостей. После промывки проточной части и восстановления характеристик все управляющие связи возвращаются в исходное положение.

Программная реализация параметрической диагностики позволяет определять корректирующие коэффициенты, связанные со степенью развития солевого заноса, и использовать их для корректировки основных функциональных зависимостей двигателя. Прежде всего, уточнению необходимо подвергнуть зависимость Ст = ДЛад) (рис. 7).

Значительную деформацию претерпевают алгоритмы ограничения двигателя. Так, алгоритм ограничения расхода топлива должен быть скорректирован в сторону увеличенного расхода (рис. 8).

Соответственно, аналогичным корректировкам должны быть подвергнуты функции ограничения максимальной частоты вращения ТК, максимальной температуры газов за ТК. Во всех случаях корректировка управляющих зависимостей базируется на основании комплексного коэффициента Ксз.

30 25 20 15 10 5 0

иС

12

13

14

15

16

17

18 nK

Рис. 3. Повышение температуры газа за турбиной компрессора в результате солевого заноса

Fig. 3. Gas temperature increase behind the compressor turbine due to the salt deposit

Ne 1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

1 ♦ до

после у

S У

У

✓

У

у

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

1

1,1 G

T пр

Рис. 4.Изменение относительной мощности в результате солевого заноса

Fig. 4. Changes in relative power due to the salt deposit

Л?04,

25 20 15 10

оС

---

-< >- —=

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

1

Ne

Рис. 5. Повышение температуры газа

для поддержания исходной мощности газотурбинного

двигателя после солевого заноса

Fig. 5. Gas temperature increase intended to maintain the initial power of the gas turbine after the salt deposit

G

T пр 1,1 1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

1 ♦ до л 1

п осле

У ' у

^ *

ШГ

Рис. 6. Изменение относительного расхода топлива для обеспечения исходного уровня мощности после солевого заноса

Fig. 6. Changes in relative fuel consumption to ensure the initial level of power after the salt deposit

Gt, кг/ч 1,0

0,75 0,5

0,15

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1-

Расход топлива, откорректированны при солевом заносе двигателя и > У

у-

Г

У £

/

Расход топлива исправного двигателя

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Ne 0

10 20 30 40 50 60 70 80 Азад,%

Рис. 7. Корректировка функции расхода топлива при солевом заносе с учетом поправочного коэффициента Ксз функция принимает вид GT - /Ы^

Fig. 7. Correction of the fuel consumption function for the salt deposit: with consideration of correction coefficient Ксз the function becomes as follows: Gy - :

Значение Ксз является результатом работы системы параметрической диагностики. Значение коэффициента зависит прежде всего от степени солевого заноса проточной части двигателя, но может учитывать и другие особенности эксплуатации и технического состояния двигателя. Данный коэффициент не является константой при одинаковых условиях солевого заноса и функционально зависит от текущего значения мощности.

При использовании предлагаемого подхода к организации управления ГТД с учетом технического состояния его проточной части на заданном режиме всегда будет соответствующая ему мощность, как у исправного двигателя.

Рис. 8. Изменение программы ограничения максимального расхода топлива

Fig. 8. Change in the program for limitation of the maximum fuel consumption

Сведения об авторах

Багерман Анатолий Захарович, ведущий научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-47-22. E-mail: bagerman.a.z.@mail.ru.

Леонова Ирина Павловна, старший научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-47-22. E-mail: leonirpal@mail.ru.

Конопатова Александра Викторовна, инженер 2 категории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-47-22. E-mail: konopatovalex@gmail.com

About the authors

Bagerman, Anatoly Z., Lead Researcher, Krylov State Research Centre. Address: 44 Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-47-22. E-mail: bagerman.a.z. @mail.ru.

Leonova, Irina P., Senior Researcher, Krylov State Research Centre. Address: 44 Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-47-22. E-mail: leonir-pal@mail.ru.

Konopatova, Alexandra V., 2nd Category Engineer, Krylov State Research Centre. Address: 44 Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-47-22. E-mail: konopatovalex@gmail.com

Поступила / Received: 29.03.17 Принята в печать / Accepted: 14.04.17 © Коллектив авторов, 2017