АВТОНОМНЫЙ БЛОК ЗАЩИТЫ ДВИГАТЕЛЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ
AUTONOMOUS GAS TURBINE ENGINE PROTECTION UNIT AND ITS OPERATION METHOD

Изобретение относится к области защиты газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в локальных системах управления газотурбинными силовыми установками различного назначения.
Предшествующий уровень техники
Известен патент РФ на изобретение № 2444717, МПК G01M 15/14 (2006.01), «СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ».
Сущность изобретения заключается в том, что дополнительно до начала запуска ГТУ фиксируют температуру газов в камере сгорания (КС) двигателя, в процессе запуска ГТУ фиксируют момент начала подачи топлива к коллекторам КС по срабатыванию концевого выключателя «Клапан останова (КО) открыт», по истечении с момента открытия КО наперед заданного времени, определяемого расчетно-экспериментальным путем, измеренную температуру газов сравнивают с измеренной до начала запуска ГТУ, если разница не превышает наперед заданное значение, определяемое расчетно-экспериментальным путем, формируют сигнал «Прекращение запуска по нерозжигу КС» и выполняют аварийный останов (АО) ГТУ. Технический результат изобретения - повышение качества контроля технического состояния ГТУ и, как следствие, повышение надежности работы ГТУ, ГПА и ГТЭС.
Недостатком предложенного решения является то, что запуск работы контролирующего органа производит оператор, что включает в работу систему управления человеческий фактор, который иногда пагубно влияет на работу автоматических систем (кадровое обеспечение и текучесть кадров, сопротивление нововведениям, вопросы взаимодействия, организационная политика).
Наиболее близким к заявляемому изобретению является патент РФ на изобретение № 2493393, МПК F02C 9/46 (2006.01), «СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГАЗОТУРБИННОЙ СУДОВОЙ УСТАНОВКИ».
Сущность изобретения заключается в том, что дополнительно с помощью автономного блока защиты двигателя (БЗД) ГТУ измеряют частоту вращения силовой турбины ГТУ, обеспечивающей привод судового винта, сравнивают измеренное значение с наперед заданным предельным, определяемым расчетно-экспериментальным путем для каждого типа ГТУ и уточняемым в процессе приемо-сдаточных испытаний ГТУ, при увеличении частоты вращения силовой турбины выше наперед заданного предельного на наперед заданное время с помощью БЗД и стоп-крана прекращают подачу топлива в КС ГТУ, формируют сигнал «Защита по раскрутке силовой турбины» и передают его в систему управления судном. Технический результат изобретения - повышение надежности работы ГТУ и безопасности судна.
Недостатком данного способа является то, что  выводы об аварийной ситуации делают исходя из одного показателя, что  не всегда верно, а также то, что блок защиты двигателя влияет только на подачу топлива, что не всегда эффективно.
Раскрытие изобретения
Технической задачей данного изобретения является
• Повышение  надежности работы  газотурбинной установки (ГТУ).
• Обеспечение контроля аварийной ситуации при отказе основной системы управления ГТУ (автономность БЗД).
• Обеспечение контроля аварийной ситуации по двум параметрам,  а именно, частоте вращения и температуре в камере сгорания силовой турбины.
Техническая задача решена за счет того, что автономный блок защиты газотурбинной установки состоит из как минимум двух блоков каналов измерения температуры и как минимум четырех блоков каналов измерения частоты вращения силовой турбины, блока обработки и управления, дополнительно снабженный автономными часами, блока преобразователей питания, дополнительно снабженный фильтрами помех, блока исполнительных реле, блока интерфейсов ввода-вывода информации и блока контроля и индикации, выполненного с обеспечением возможности ручной проверки работоспособности БЗД. Способ работы автономного блока защиты газотурбинной установки заключается в том, что предварительно стабилизируют питание внутренне либо внешнее. Затем проводят самодиагностику блоков каналов измерения температуры и частоты. Далее отправляют обработанную информацию о самодиагностике в блок контроля и индикации, для индикации неисправности. Затем информацию о самодиагностике передают в блок интерфейсов ввода-вывода информации и далее в блок внешней системы управления. После этого блоки каналов измерения частоты вращения силовой турбины и одновременно блоки каналов измерения температуры в камере сгорания силовой турбины получают аналоговый сигнал с внешних датчиков измерения частоты и температуры ГТУ и после преобразования аналоговых сигналов в цифровые, передают информацию в блок обработки и управления. Далее анализируют полученные данные, сравнивая их с заранее установленными пороговыми значениями и при превышении пороговых значений, передают сигнал в блок исполнительных реле, где формируют аварийный сигнал и передают его в блок механизма останова двигателя блока внешней системы управления. Информацию о срабатывании сохраняют в блоке обработки и управления и при необходимости передают в блок внешней системы управления.  БЗД синхронизируют с внешней системой посредством автономных часов блока обработки и управления, для фиксации точного времени срабатывания.
Описание изобретения
На фиг. 1 представлена функциональная схема блока защиты двигателя газотурбинной установки.
Назначение блока защиты двигателя газотурбинной установки (БЗД) защита ГТУ от аварийной работы при превышении предельно допустимых параметров посредством выдачи сигнала на блок внешней системы управления для останова двигателя.
БЗД 1 включает в себя электронную аппаратуру и специальное программное обеспечение в виде информации, записанной на постоянном запоминающем устройстве блока обработки и управления 5.
БЗД  1 выполнен в виде набора функциональных блоков: как минимум двух блоков каналов измерения температуры 7 и 8 и как минимум четырех блоков каналов измерения частоты 9, 10, 11,  и 12 вращения силовой турбины, блока обработки и управления 5, дополнительно снабженный автономными часами (на фиг. не показано), блока преобразователей питания 4, дополнительно снабженный фильтрами помех (на фиг. не показано), блока исполнительных реле 6, блока интерфейсов ввода-вывода информации 2 и блока контроля и индикации 3, выполненного с обеспечением возможности ручной проверки работоспособности. При этом функциональные блоки содержат: светодиоды, микросхемы ввода-вывода,  микросхемы интерфейса Ethernet, микросхемы интерфейса RS-485, реле электромагнитные, микроконтроллер с ядром Cortex M7, микросхемы стабилизатора напряжения питания, микросхемы преобразователя питания, микросхемы гальванической развязки,  микросхемы оптрон, микросхемы аналого-цифрового преобразователя, микросхемы компаратор.
Электропитание БЗД 1 осуществляют постоянным током напряжением от 21 до 29 В. Мощность, потребляемая БЗД 1: от источника постоянного тока напряжением от 21 до 29 В не более 10Вт, без учёта мощности, потребляемой исполнительными механизмами.
Конструктивно все элементы блока защиты двигателя 1 (БЗД) размещены на одной четырёхслойной печатной плате.
1. Блок канала измерения температуры 7 и 8
Аналоговые блоки каналов измерения температуры 7 и 8 построены на дельта-сигма АЦП и измеряют падение напряжения на шунте – прецизионном резисторе сопротивлением 49,9 Ом с допусками  0,1%. Шунт включается последовательно в цепь с измеряемым током.
Применённые АЦП типа LTC2472 представляют собой малопотребляющие 16-разрядные аналого-цифровые преобразователи со встроенным прецизионным источником опорного напряжения и выбираемой скоростью измерения 208 изм/с или 833 изм/с. Они используют один источник питания 3,3 В и обмениваются данными через SPI (цифровой интерфейс). Каждый блок каналов измерения 7 и 8 имеет гальваническую развязку благодаря применению изоляторов интерфейса типа ADUM5401ARWZ с встроенным DC/DC преобразователем. На входе каждого блока канала измерения температуры 7 и 8, в зависимости от исполнения БЗД 1, могут использоваться искробезопасные барьеры. Барьеры обеспечивают искробезопасность  электрических  цепей блока, при установке во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок.
2. Блок канала измерения частоты 9, 10, 11, и 12
Аналоговые блоки каналов измерения частоты 9, 10, 11, и 12 построены на высокоскоростном компараторе, преобразующем входные частотные импульсы в импульсы необходимой амплитуды.
Каждый блок канала измерения частоты 9, 10, 11, и 12 для питания имеет гальванически развязанный DC/DC преобразователь. Выходной сигнал компаратора также гальванически развязан с основной схемой через оптрон.
3. Блок обработки и управления 5
Блок обработки и управления 5 построен на основе микросхемы микроконтроллера STM32H743ZI. Микроконтроллер через микросхемы D17, D18 поочерёдно опрашивает АЦП аналоговых измерительных каналов. Данные АЦП преобразуются в микроконтроллере в значения физической величины тока. Также микроконтроллер обрабатывает сигналы четырех каналов частоты, поступающие на входы таймера через оптроны D24, D26, D34, D36. В случае превышении любым контролируемым параметром предельного значения (уставки) контроллер выдает управляющий сигнал в блок исполнительных реле на реле K4 для коммутации цепи управления напряжением 27 В, а также дискретный информационный сигнал, сигнализирующий о срабатывании блока.
Также в блок обработки и управления 5 входит второй микроконтроллер, построенный на микросхеме STM32H743ZI. Он принимает данные от блока микроконтроллера измерительного по интерфейсу SPI. Он преобразует полученные данные в формат Modbus и передает их в блок интерфейсов ввода/вывода информации 2, построенный на микросхеме D3 (преобразователь интерфейсов RS-485) и далее на выходной разъем XP2. Также микроконтроллер выдаёт команды по шине I2C на регистры в блок контроля и индикации 3. К выходам регистров индикации подключены светодиоды, которые осуществляют визуальную индикацию состояния аналоговых и частотных каналов, готовности и срабатывания блока.
Разъём XP1 и XP5 для программирования микроконтроллера через JTAG интерфейс.
4. Блок интерфейсов ввода/вывода информации  2
Блок интерфейсов ввода/вывода информации 2 с ПК состоит из микросхем D3 и D6 - гальванически развязанного преобразователя интерфейса RS-485 и приемо-передатчика Ethernet, осуществляющего синхронизацию времени c инженерным компьютером.
5. Блок преобразователей питания 4
Блок преобразователей питания 4 состоит из DC/DC преобразователей (D7, D8), стабилизаторов напряжения (D9, D10) и обеспечивает питание блока. DC/DC-преобразователи 5 В, обеспечивают гальваническую изоляцию блока от входных цепей 24 В, а микросхемы стабилизаторов формируют напряжения 3,3В постоянного тока для питания микросхем блока.
Способ работы автономного блока защиты двигателя газотурбинной установки
• Предварительно в блоке преобразователей питания 4 преобразовывают и стабилизируют питание внутренне либо внешнее, затем проводят самодиагностику блоков каналов измерения температуры 7 и 8 и частоты 9, 10, 11, и 12, при которой предварительно проводят самодиагностику в каждом блоке канала измерения 7-12,
• затем отправляют информацию об этом в блок обработки и управления5, а далее отправляют обработанную информацию о самодиагностике в блок контроля и индикации  3, для индикации неисправности какого-либо из блоков каналов измерения  7-12,
• затем информацию передают в блок интерфейсов ввода-вывода информации  2 и далее в блок внешней системы управления  14,
• после чего, в как минимум  четыре блока каналов измерения частоты 9,  10, 11  и 12 вращения силовой турбины и дополнительно одновременно, в как минимум два блока канала измерения температуры 7 и 8 в камере сгорания силовой турбины получают аналоговый сигнал с внешних датчиков измерения частоты и температуры ГТУ 13,
• после чего, в этих же блоках 7-12 преобразовывают аналоговые сигналы в цифровые,
• затем передают их в блок обработки и управления 5, где анализируют полученные данные, сравнивая их с заранее установленными пороговыми значениями,
• после этого, при превышении пороговых значений, передают сигнал в блок исполнительных реле 6, где формируют аварийный сигнал и передают его в блок механизма останова двигателя (на фиг не показано) блока внешней системы управления 14,
• при этом сохраняют архив информации о срабатывании в  блоке обработки и управления 5 и при необходимости передают эти данные в блок внешней системы управления  14 через  блок интерфейсов ввода-вывода информации 2, причем БЗД 1  синхронизируют с внешней системой посредством автономных часов (на фиг не показано) блока обработки и управления 5, для фиксации точного времени срабатывания.
Все вышеизложенное говорит о промышленной применимости блока защиты двигателя газотурбинной установки и решении технической задачи, а именно, повышение  надежности работы  газотурбинной установки (ГТУ), обеспечение контроля аварийной ситуации при отказе основной системы управления ГТУ (автономность БЗД), обеспечение контроля аварийной ситуации по двум параметрам, частоте вращения и температуре в камере сгорания силовой турбины.
Перечень позиций
1. Блок защиты двигателя (БЗД)
2. Блок интерфейсов ввода/вывода информации
3. Блок контроля и индикации
4. Блок преобразователей питания
5. Блок обработки и управления
6. Блок исполнительных реле
7. Блок канала измерения температуры 1
8. Блок канала измерения температуры 2
9. Блок канала измерения частоты 1
10. Блок канала измерения частоты 2
11. Блок канала измерения частоты 3
12. Блок канала измерения частоты 4
13. Газотурбинная установка (ГТУ)
14. Блок внешней системы управления