СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЯ ОТКЛОНЕНИЯ ПАРАМЕТРА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ОДНОГО КОМПОНЕНТА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ И БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
ESTIMATION OF HEALTH PARAMETERS IN INDUSTRIAL GAS TURBINES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способу для определения значения отклонения параметра работоспособности по меньшей мере одного компонента газовой турбины. Кроме того, настоящее изобретение относится к блоку управления для газовой турбины.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Промышленные газовые турбины включают в себя множество датчиков, которые используются для контроля и управления газовой турбиной. Не все параметры двигателя могут быть измерены, или они могут быть измерены только с пониженной точностью. Выходные результаты разработанных способов, которые оценивают не измеряемые параметры, такие как эффективность и производительность (так называемые параметры работоспособности) для различных компонентов двигателя, как правило, используются для контроля работоспособности газотурбинных двигателей.
Существует много причин изменения параметров работоспособности. Например, отклонение параметров работоспособности вызвано вариациями производства и сборки, имеющими место для новых двигателей. С другой стороны, в течение срока эксплуатации, компоненты газовых турбин подвергаются некоторой степени деградации, и такой износ может быть постепенным или резким.
Некоторыми из известных механизмов износа являются утечки из уплотнения и вторичного потока, увеличения просветов, эрозия и загрязнение. В то время как ухудшение работоспособности газовой турбины является нормальным процессом старения, который происходит во всех двигателях как результат использования, резкие аномальные события, такие как повреждение посторонними объектами, не являются предсказуемыми, так как они происходят неожиданно.
Различные методы мониторинга производительности и работоспособности газовых турбин были разработаны в прошлом. Эти методы способны обеспечить диагностическую информацию, такую как обнаружение неисправности двигателя или ухудшения двигателя, и обеспечивают прогностическую информацию, такую как время, в течение которого двигатель может работать, пока не потребуются процедуры технического обслуживания.
US 2007/214796 раскрывает способ и система для мониторинга работоспособности системы контроля динамики горения. Соответствующие динамические условия по меньшей мере двух камер сгорания кольцеобразной камеры сгорания газотурбинного двигателя контролируются соответствующими датчиками динамического состояния, ассоциированными с каждой из камер. Способ также предусматривает установление базового отношения между соответствующими динамическими состояниями и затем идентификацию отклонения от исходного отношения, указывающего на ухудшение качества сигнала, обеспечиваемого датчиком динамического состояния, ассоциированным с по меньшей мере одной из камер.
US 4,215,412 раскрывает систему мониторинга газотурбинного двигателя в реальном времени, которая включает в себя цифровой процессор, который использует набор скалярных коэффициентов и текущее значение различных параметров работы двигателя для прогнозирования текущего значения набора параметров производительности двигателя. Фактические значения этих параметров производительности контролируются и сравниваются с прогнозируемыми значениями, чтобы выдавать сигналы отклонения или ошибки на логику контроля, которая обеспечивает индикацию неисправностей в цифровом процессоре, в блоках датчиков, которые обеспечивают фактические значения контролируемых параметров производительности, и газотурбинном двигателе. Кроме того, сигналы отклонения используются в блоке цифрового процессора для определения зависимой от времени квадратичной оценки временных характеристик каждого контролируемого параметра двигателя.
US 6,466,858 раскрывает основанный на модели процесс анализа трендов для газотурбинного двигателя, который генерирует в реальном времени параметры трендов двигателя из данных датчиков двигателя и данных внешних условий полета, чтобы оценивать состояние двигателя. Двигатель включает в себя множество датчиков, которые реагируют на операции двигателя. Процесс анализа трендов реализован с использованием коммерчески доступного процессора, связанного с двигателем, чтобы контролировать операции двигателя, и имеющего требуемую скорость обработки данных и производительность. Параметры работоспособности двигателя оцениваются и корректируются в модели для диагностики компонентов и обнаружения неисправностей и изоляции.
US 6,892,127 раскрывает способ и устройство для оценки повреждения компонентов машины. Способ включает в себя вычисление ожидаемого значения параметра на основе первого указателя значения параметра, вычисление оценки фактического значения параметра на основе второго указателя значения параметра, причем второй указатель значения параметра отличается от первого указателя значения параметра, определение, отличается ли вычисленное ожидаемое значение параметра от вычисленной оценки фактического значения параметра на заранее определенный предел, и генерирование флага повреждения на основании результата сравнения.
US 8,050,843 раскрывает оценку истинной работоспособности или независимого вектора параметров на временном шаге с использованием оценки истинной работоспособности или вектора параметров на предыдущем временном шаге в качестве исходного значения для получения предсказанного вектора параметров работоспособности на данном временном шаге. На основании последнего и набора измеренных значений входных переменных расширенной модели системы, генерируется предсказание выходных переменных модели. Этот предсказанный выход модели сравнивается с измеренными значениями выходных переменных, чтобы получить ошибку. Из этой ошибки, блок оценки параметров работоспособности, в свою очередь, генерирует оценку параметров работоспособности в качестве пересмотренной версии прогнозируемых показателей работоспособности.
DE 40 23 663 A1 раскрывает способ диагностики. Сигналы вибрации, возникающие от вращающихся частей машины, измеряются, предварительно фильтруются и оцифровывается в регистраторе переходных процессов. Они оцениваются в диапазоне частот путем преобразования частоты. Получают по меньшей мере одно характеристическое значение, которое представляет собой отношение значений частоты гармоники к основной частоте в течение заранее определенного периода. Процессор сигналов ограничивает диапазон частот и вычисляет функцию частоты, например, путем быстрого преобразования Фурье.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является создание способа, который оценивает динамическое поведение параметров работоспособности газовой турбины, обеспечивая возможность диагностики производительности в стационарном состоянии и переходных рабочих условиях газовой турбины.
Эта задача может быть решена с помощью способа определения значения отклонения рабочего параметра по меньшей мере одного компонента газовой турбины и с помощью блока управления в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретения.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, предложен способ определения значения отклонения параметра работоспособности по меньшей мере одного компонента газовой турбины. В соответствии со способом, измеряют значение давления и значение температуры в точке измерения компонента. Определяют скорректированное значение давления на основе заранее определенного коэффициента коррекции давления компонента. Определяют скорректированное значение температуры на основе заранее определенного коэффициента коррекции температуры компонента. Определяют оцененное фактическое значение (например, эффективности и/или производительности) параметра работоспособности (например, параметра эффективности и/или производительности) компонента на основе скорректированного значения давления и скорректированного значения температуры и/или, например, скорости вала.
Номинальное значение (например, эффективности и/или производительности) параметра работоспособности компонента прогнозируется на основе по меньшей мере одного заранее определенного входного параметра.
(Относящееся, например, к эффективности и/или производительности) значение отклонения параметра работоспособности определяется путем сравнения оцененного фактического значения (например, эффективности и/или производительности) параметра работоспособности и номинального значения (например, эффективности и/или производительности) параметра работоспособности.
Целесообразно, если в способе дополнительно сравнивают значения отклонения параметра производительности с дополнительным значением отклонения параметра производительности, определенным на предыдущем этапе определения, для определения вариации значения отклонения производительности с течением времени.
Также может быть предпочтительно, если дополнительно сравнивают значения отклонения параметра эффективности с дополнительным значением отклонения параметра эффективности, определенным на предыдущем этапе определения, для определения вариации значения отклонения эффективности с течением времени.
Также может быть дополнительно предусмотрено дополнительно измерение дополнительного значения давления и дополнительного значения температуры в дополнительной точке измерения дополнительного компонента, определение дополнительного скорректированного значения давления на основе дополнительного заранее определенного коэффициента коррекции давления дополнительного компонента, определение дополнительного скорректированного значения температуры на основе дополнительного заранее определенного коэффициента коррекции температуры дополнительного компонента, определение дополнительного оцененного фактического значения параметра работоспособности дополнительного компонента на основе дополнительного скорректированного значения давления, дополнительного скорректированного значения температуры и дополнительной измеренной скорости вала, обеспечение дополнительного номинального значения параметра работоспособности дополнительного компонента, которое прогнозируется на основе по меньшей мере одного дополнительного заранее определенного входного параметра, и определение дополнительного значения отклонения путем сравнения дополнительного оцененного фактического значения и дополнительного номинального значения.
В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения, предложен блок управления для газовой турбины, причем блок управления выполнен таким образом, что может исполняться вышеописанный способ.
Компонент газовой турбины может быть, например, компрессором, камерой сгорания, турбиной компрессора и силовой турбиной. Кроме того, компонент может также обозначать часть/компонент соединительного канала (трубопровода), который соединяет два компонента.
Параметры эффективности и производительности также называются параметрами работоспособности компонента, так как эффективность и производительность компонента может быть показательной для состояния/работоспособности (повреждения, износа и т.д.) компонента.
Оцененное фактическое значение (например, эффективности и/или производительности) означает эффективность η и/или производительность Γ компонента, которая основана на скорректированных значениях измерения давления и температуры и, например, скорости вала компонента в точке измерения/станции компонента. Температура может определять температуру рабочего флюида или части компонента в точке измерения. Следовательно, вычисленное фактическое значение основано на реально измеряемых фактических значениях компонента.
Примерные расчетные формулы для оцененного фактического значения эффективности и оцененного фактического значения производительности приведены ниже.
Номинальное значение (например, эффективности и/или производительности) основано на заранее определенных входных параметрах (например, подаче топлива, желательной выходной мощности и т.д.), которые вводятся в компонент. Номинальное значение (например, эффективности и/или производительности) основано на теоретических значениях, например, для давления и температуры, которые теоретически существуют, если компонент приводится в действие с заранее определенными входными параметрами. Следовательно, теоретические значения, например, для давления и температуры основаны на входных параметрах (то есть, параметрах производительности).
Входными параметрами, являются, например, подача топлива в газовую турбину, массовый расход рабочего флюида, закачиваемого или вытекающего из газовой турбины или соответствующего компонента, желательная выходная мощность газовой турбины или соответствующего компонента и т.д. Для компонентов газовых турбин, теоретически известно, какая температура, давление и/или скорость вала существуют в точке измерения компонента на основе конкретных входных параметров для желательного рабочего состояния газовой турбины и компонента, соответственно.
Номинальные значения (например, эффективности и/или производительности) и температура, давление и/или скорость вала, соответственно, могут быть получены из модели/имитации в реальном времени или из лабораторных испытаний опытного образца газовой турбины или компонента.
(Относящееся, например, к эффективности и/или производительности) значение отклонение определяется путем сравнения оцененного фактического значения (например, эффективности и/или производительности) и номинального значения (например, эффективности и/или производительности). (Относящееся, например, к эффективности и/или производительности) значение отклонения указывает на отклонение между теоретическими номинальными значениями (например, эффективности и/или производительности) (для нового и чистого двигателя) и оцененным фактическим значением (например, эффективности и/или производительности), которое основано на физических измерениях в рабочем состоянии газовой турбины и компонента, соответственно.
Посредством подхода согласно настоящему изобретению, значение отклонения эффективности и/или производительности компонента может быть определено путем сравнения оцененного фактического значения эффективности (и/или производительности) и номинального значения эффективности (и/или производительности).
Подводя итоги, параметры работоспособности (т.е. оцененной фактической эффективности или производительности) промышленной газовой турбины определяются с помощью измерений во время операций газовой турбины. Измеренные переменные, такие как давления, температуры и скорости вращения, используются для оценки вычисленных переменных для эффективности и производительности. Помимо параметров работоспособности, эти неизмеряемые параметры, как правило, включают в себя: оцененную генерируемую мощность, оцененные давления и оцененные температуры, которые затруднительны или не практичны для измерения, например, температуру на входе турбины высокого давления. Оцененные параметры работоспособности обычно представлены оцененной фактической эффективностью и производительностью (потоком) компонентов двигателя. Когда они отклоняются от их нормальных условий работоспособности (т.е. номинальных значений эффективности или производительности) рабочие характеристики каждого компонента деградируют, и это может распознаваться как сдвиг в характеристике компонента. Вообще говоря, могут быть выявлены две основные причины отклонения рабочих характеристик двигателя: вариации от двигателя к двигателю и ухудшение (износ) двигателя. Способ в соответствии с настоящим изобретением относится к способу оценки неизмеряемых параметров работоспособности в промышленной газовой турбины, которые используются для контроля за состоянием работоспособности газотурбинного двигателя, работающего в стационарных и нестационарных условиях.
В соответствии с описанным способом, выполняют измерения давления и температуры в газовом тракте газовой турбины на различных станциях (точках измерения на конкретном компоненте). Если газовая турбина является двухвальной газовой турбиной, то также может рассматриваться скорость компонента газогенератора и вала силовой турбины.
В следующем списке перечислены измеряемые скорости вращения валов, измеряемые значения температуры T и измеряемые значения давления P для отдельных компонентов газовой турбины:
Таблица 1
№
Описание/компонент
Тип датчика
Обозначение
1
Впуск компрессора
Давление
P<sub>in</sub>
2
Впуск компрессора
Температура
T<sub>in</sub>
3
Выпуск компрессора
Давление
P<sub>cd</sub>
4
Выпуск компрессора
Температура
T<sub>cd</sub>
5
Соединительный канал
Давление
P<sub>id</sub>
6
Соединительный канал
Температура
T<sub>id</sub>
7
Выхлоп
Температура
T<sub>ex</sub>
8
Вал газогенератора
Скорость
n<sub>gg</sub>
9
Вал силовой турбины
Скорость
n<sub>pt</sub>
В соответствии с еще одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения, коэффициент коррекции давления определяется путем определения соотношения между значением входного (вверх по потоку) давления, на верхней по потоку станции, расположенной выше по потоку от точки измерения компонента, и значением выходного (вниз по потоку) давления на нижней по потоку станции, расположенной ниже по потоку от точки измерения компонента.
Кроме того, в соответствии с еще одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения, коэффициент коррекции температуры определяется путем определения соотношения между значением входной (вверх по потоку) температуры на верхней по потоку станции, расположенной выше по потоку от точки измерения компонента, и значением выходной (вниз по потоку) температуры на нижней по потоку станции, расположенной ниже по потоку от точки измерения компонента.
Скорректированные значения температуры и давления могут определяться как среднее арифметическое между соответствующим значением давления или температуры на впуске выше по потоку и выпуске ниже по потоку конкретного компонента.
Следовательно, измерения в газовом тракте (давления, температуры) в точке измерения/станции компонента затем корректируются с помощью описанных выше коэффициентов коррекции, чтобы представлять значение давления или температуры в точке вычисления/станции.
id
id
Например, измерительные приборы (датчики) двигателя обеспечивают измерения давления и температуры, например, в компоненте соединительного канала (т.е. P, T в таблице 1). Компонент соединительного канала в газовом тракте двигателя находится, например, между компонентом турбины компрессора (СТ) и компонентом силовой турбины (РТ). На выпуске турбины компрессора, которая является расположенным выше по потоку компонентом по отношению к компоненту соединительного канала, и впуске силовой турбины, которая является расположенным ниже по потоку компонентом по отношению к компоненту соединительного канала, выполняются соответствующие скорректированные измерения давления и температуры за счет использования соответствующего коэффициента коррекции для соответствующих измерений (давления, температуры). Следовательно, измеренное значение давления и значение температуры в точке измерения в компоненте соединительного канала корректируются для учета рассогласования по местоположению выпуска турбины компрессора (СТ) и впуска силовой турбины (РТ).
Коэффициент коррекции может быть вычислен также другими способами для других компонентов. Например, если компонент является турбиной компрессора (СТ), измерение некоторых параметров, таких как температура впуска турбины (TIT), очень затруднительно и непрактично из-за чрезвычайно высокой температуры во впуске турбины компрессора. Следовательно, вычисление TIT основано на балансе энергии для газогенератора (компрессора и СТ) и вычисляется с использованием измерений в различных местоположениях газовой турбины:
<mrow><mi>T</mi><mi>I</mi><mi>T</mi><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>i</mi><mi>d</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mrow><mi>T</mi><mi>I</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>c</mi><mi>d</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где:
id
T - температура соединительного канала внутри компонента соединительного канала выше по потоку от впуска компонента турбины компрессора;
TIT
K - предопределенный коэффициент коррекции.
В следующей таблице 2 приведены скорректированные измерения значений температуры и значений давления для конкретных компонентов газовой турбины и коэффициенты коррекции α. Приведенные выше измерения, показанные в таблице 1, могут быть использованы для синтеза скорректированных измерений газовой турбины, которые соответствуют различным компонентам:
Таблица 2
Скорректированные измерения газовой турбины
№
Описание/компонент
Тип датчика
Запись
1
Впуск компрессора
Давление
<maths num="2"><math display="block"><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>m</mi><mi>p</mi><mo>_</mo><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>P</mi><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>m</mi><mi>p</mi><mo>_</mo><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub><msub><mi>P</mi><mrow><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow></math><img file="00000002.jpg" he="7" wi="35" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
2
Впуск компрессора
Температура
<maths num="3"><math display="block"><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>m</mi><mi>p</mi><mo>_</mo><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>T</mi><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>m</mi><mi>p</mi><mo>_</mo><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub><msub><mi>T</mi><mrow><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow></math><img file="00000003.jpg" he="7" wi="34" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
3
Выход компрессора
Давление
<maths num="4"><math display="block"><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>m</mi><mi>p</mi><mo>_</mo><mi>o</mi><mi>u</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>P</mi><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>m</mi><mi>p</mi><mo>_</mo><mi>o</mi><mi>u</mi><mi>t</mi></mrow></msub><msub><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>d</mi></mrow></msub></mrow></math><img file="00000004.jpg" he="7" wi="39" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
4
Выход компрессора
Температура
<maths num="5"><math display="block"><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>m</mi><mi>p</mi><mo>_</mo><mi>o</mi><mi>u</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>T</mi><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>m</mi><mi>p</mi><mo>_</mo><mi>o</mi><mi>u</mi><mi>t</mi></mrow></msub><msub><mi>T</mi><mrow><mi>c</mi><mi>d</mi></mrow></msub></mrow></math><img file="00000005.jpg" he="7" wi="38" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
5
СТ впуск
Давление
<maths num="6"><math display="block"><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>t</mi><mo>_</mo><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>P</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mo>_</mo><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub><msub><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>d</mi></mrow></msub></mrow></math><img file="00000006.jpg" he="7" wi="29" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
6
СТ впуск
Температура
<maths num="7"><math display="block"><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>c</mi><mi>t</mi><mo>_</mo><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>T</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mo>_</mo><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mi>T</mi><mi>I</mi><mi>T</mi></mrow></math><img file="00000007.jpg" he="7" wi="30" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
7
СТ выход
Давление
<maths num="8"><math display="block"><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>t</mi><mo>_</mo><mi>o</mi><mi>u</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>P</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mo>_</mo><mi>o</mi><mi>u</mi><mi>t</mi></mrow></msub><msub><mi>P</mi><mrow><mi>i</mi><mi>d</mi></mrow></msub></mrow></math><img file="00000008.jpg" he="7" wi="31" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
8
СТ выход
Температура
<maths num="9"><math display="block"><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>c</mi><mi>t</mi><mo>_</mo><mi>o</mi><mi>u</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>T</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mo>_</mo><mi>o</mi><mi>u</mi><mi>t</mi></mrow></msub><msub><mi>T</mi><mrow><mi>i</mi><mi>d</mi></mrow></msub></mrow></math><img file="00000009.jpg" he="7" wi="30" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
9
РТ впуск
Давление
<maths num="10"><math display="block"><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>p</mi><mi>t</mi><mo>_</mo><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>P</mi><mi>p</mi><mi>t</mi><mo>_</mo><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub><msub><mi>P</mi><mrow><mi>i</mi><mi>d</mi></mrow></msub></mrow></math><img file="00000010.jpg" he="7" wi="29" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
10
РТ впуск
Температура
<maths num="11"><math display="block"><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>p</mi><mi>t</mi><mo>_</mo><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>T</mi><mi>p</mi><mi>t</mi><mo>_</mo><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub><msub><mi>T</mi><mrow><mi>i</mi><mi>d</mi></mrow></msub></mrow></math><img file="00000011.jpg" he="7" wi="28" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
11
РТ выход
Давление
<maths num="12"><math display="block"><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>p</mi><mi>t</mi><mo>_</mo><mi>o</mi><mi>u</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>P</mi><mi>p</mi><mi>t</mi><mo>_</mo><mi>o</mi><mi>u</mi><mi>t</mi></mrow></msub><msub><mi>P</mi><mrow><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow></math><img file="00000012.jpg" he="7" wi="32" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
12
РТ выход
Температура
<maths num="13"><math display="block"><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>p</mi><mi>t</mi><mo>_</mo><mi>o</mi><mi>u</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>T</mi><mi>p</mi><mi>t</mi><mo>_</mo><mi>o</mi><mi>u</mi><mi>t</mi></mrow></msub><msub><mi>T</mi><mrow><mi>e</mi><mi>x</mi></mrow></msub></mrow></math><img file="00000013.jpg" he="7" wi="31" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
Где:
CT=компонент турбины компрессора и
PT=компонент силовой турбины
Скорректированные измеренные значения (температура, давление) (см., например, в таблице 2) в различных компонентах станций газовой турбины используются теперь для вычисления оцененных значений/параметров работоспособности. Вычисление может выполняться одновременно, например, для двух наборов параметров, а именно, эффективности и производительности компонента. Примерные оцененные параметры эффективности и производительности для конкретных компонентов газовой турбины приведены в таблице 3:
Таблица 3
№
Компонент
Параметр
Обозначение
1
Компрессор
эффективность
η<sub>comp</sub>
2
Компрессор
производительность
Γ<sub>comp</sub>
3
Камера сгорания
производительность
Γ<sub>comb</sub>
4
Турбина компрессора
эффективность
η<sub>ct</sub>
5
Турбина компрессора
производительность
Γ<sub>ct</sub>
6
Силовая турбина
эффективность
η<sub>pt</sub>
7
Силовая турбина
мощность
N<sub>pt</sub>
Как можно видеть из таблицы 3, первый набор выбранных параметров работоспособности описывает оцененные фактические эффективности компонента. Затем эффективности отдельных компонентов могут быть вычислены в зависимости от конкретного компонента по различным формулам, которые описаны ниже в качестве примера. Вычисления политропных эффективностей используются для представления эффективности следующих компонентов:
Политропная эффективность компрессора:
Политропная эффективность турбины компрессора:
Политропная эффективность силовой турбины:
где отношение удельных теплоемкостей для рабочего флюида (воздуха и горячего газа, протекающего через компоненты) определяется полиномиальным отношением:
Эффективности для других компонентов, например, для турбины компрессора и силовой турбины, вычисляются с использованием приведенных выше формул, соответственно.
В соответствии с еще одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения, измеряется скорость вращающегося вала компонента. Предоставляется номинальное значение производительности компонента, которое основано на заранее определенных входных параметрах компонента. Номинальное значение производительности основано на теоретических значениях, например, для давления, температуры и скорости, которые теоретически существуют, если компонент приводится в действие с заданными входными параметрами. Оцененное фактическое значение производительности компонента определяется на основе скорректированного значения давления, скорректированного значения температуры и скорости вала. Значение отклонения производительности определяется путем сравнения оцененного фактического значения производительности и номинального значения производительности.
Как можно видеть из таблицы 3, второй набор выбранных параметров работоспособности описывает оцененные фактические производительности компонента и мощность компонента силовой турбины газовой турбины. Затем производительности компонентов и мощность силовой турбины могут быть вычислены по различным формулам, которые описаны ниже в качестве примера. Оцененные параметры производительности требуют, кроме того, скорректированных измерений в газовом тракте (температуры, давления), перечисленных в таблице 2, например, скорости вала газовой турбины. В случае, когда газовая турбина содержит двухвальный вариант осуществления, т.е. компонент газогенератора и компонент силовой турбины, измеренная скорость вала газогенератора и скорость вала силовой турбины используются в качестве дополнительных входных параметров. Следовательно, измеренная скорость и ускорение вала газогенератора и вала силовой турбины, могут быть включены в процесс вычисления, который позволяет заявленному способу регистрировать динамическое поведение выбранных параметров работоспособности газовой турбины, то есть оцененную производительность.
Следующие производительности оцениваются в данном способе, например, для следующих компонентов: производительность компрессора, производительность турбины компрессора и производительность камеры сгорания. Эти производительности могут быть вычислены с помощью следующих соотношений:
Производительность компрессора:
Производительность турбины компрессора:
Производительность камеры сгорания:
где производительность силовой турбины:
выводится из заранее определенных характеристик компонента.
Вычисление, в частности, производительностей описывается более подробно со ссылкой на чертежи.
Следует отметить, что варианты осуществления настоящего изобретения были описаны со ссылкой на разные объекты. В частности, некоторые варианты осуществления были описаны со ссылкой на пункты формулы изобретения, относящиеся к способу, тогда как другие варианты осуществления были описаны со ссылкой на пункты формулы изобретения, относящиеся к устройству. Тем не менее, специалисту в данной области техники будет понятно из вышеизложенного и последующего описания, что, если не указано иначе, в дополнение к любой комбинации признаков, принадлежащих к одному типу объекта, также любое сочетание признаков, относящихся к различным объектам, в частности, признаков пунктов формулы, относящихся к способу, и признаков пунктов формулы, относящихся к устройству, рассматривается как раскрытое в настоящем документе.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Аспекты, определенные выше, и дополнительные аспекты настоящего изобретения являются очевидными из примеров варианта осуществления, которые будут описаны ниже и поясняются со ссылкой на примеры варианта осуществления. Изобретение будет описано ниже более подробно со ссылкой на примеры варианта осуществления, которым, однако, изобретение не ограничивается.
Фиг. 1 показывает схематичное изображение газовой турбины;
Фиг. 2 показывает схематичный вид компрессора, камеры сгорания и турбины компрессора газовой турбины, как показано на фиг. 1;
Фиг. 3 показывает схематичное изображение системы управления газовой турбины в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 4 показывает схематичный вид этапов способа в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 5 показывает схематичное изображение газовой турбины согласно фиг. 1, где показаны потоки отбираемого флюида; и
Фиг. 6 показывает схематичный вид примерного алгоритма в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Иллюстрация на чертежах приведена в схематичной форме. Следует отметить, что на различных фигурах, подобные или идентичные элементы снабжены теми же ссылочными позициями.
Фиг. 1 показывает газовую турбину 100 в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Газовая турбина 100 содержит множество компонентов 101, 102, 103, 104, 105 газовой турбины, которые описаны ниже.
Газовая турбина 100 содержит устройство газогенератора, которое приспособлено для генерации рабочего флюида под давлением. Устройство газогенератора содержит компрессор 101, камеру 102 сгорания и турбину 103 компрессора. Рабочий флюид, например воздух, впрыскивается в компрессор 101. Компрессор 101 нагнетает рабочий флюид.
Стрелки на фиг. 1 показывают направление потока рабочего флюида. Вниз по потоку от компрессора 101, топливо впрыскивается в камеру 102 сгорания. Рабочий флюид, т.е. часть рабочего флюида, смешивается с топливом и сжигается. Камера 102 сгорания генерирует высокоэнергетичный рабочий флюид под давлением, который приводит в действие турбину 103 компрессора таким образом, что механическая энергия генерируется для приведения в действие компрессора 101, соответственно.
Горячий, находящий под давлением, высокоэнергетичный рабочий флюид направляется через соединительный канал 105 в силовую турбину 104. Находящийся под давлением горячий рабочий флюид приводит в движение силовую турбину 104 для генерирования крутящего момента.
Фиг. 2 схематично показывает компрессор 101, камеру 102 сгорания, турбину 103 компрессора, силовую турбину 104 и соединительный канал 105 газовой турбины 100 согласно фиг. 1, более подробно.
Термины «вверх по потоку» и «вниз по потоку» относятся к направлению потока воздуха и/или потока рабочего потока через двигатель, если не указано иное. Термины «вперед» и «назад» относятся к общему потоку газа через двигатель. Термины «осевой», «радиальный» и «окружной» указываются со ссылкой на ось 20 вращения двигателя.
Газовая турбина 100 содержит, в последовательности потока, впускное отверстие 12, компрессор 101, камеру 102 сгорания и турбину 103, которые, как правило, расположены в последовательности потока и, как правило, в направлении продольной оси или оси 20 вращения. Газовая турбина 100 дополнительно содержит вал 22, который выполнен с возможностью вращения вокруг оси 20 вращения и который проходит в продольном направлении через газовую турбину 100. Вал 22 соединяет с возможностью передачи приводного усилия турбину 103 с компрессором 101.
При работе газовой турбины 100, воздух 24, который принимается через впускное отверстие 12 для воздуха, сжимается компрессором 100 и подается в камеру 102 сгорания, содержащую секцию 16 горелки. Секция 16 горелки содержит камеру 26 повышенного давления горелки, одну или более камер 28 сгорания, определенных корпусом 27 с двойной стенкой, и по меньшей мере одну горелку 30, прикрепленную к каждой камере 28 сгорания. Камеры 28 сгорания и горелки 30 расположены внутри камеры 26 повышенного давления горелки. Сжатый воздух, проходящий через компрессор 12, входит в диффузор 32 и выпускается из диффузора 32 в камеру 26 повышенного давления горелки, откуда часть воздуха поступает в горелку 30 и смешивается с газообразным или жидким топливом. Воздушно-топливная смесь затем сжигается, и горючий газ 34 или рабочий газ от сгорания направляется через переходный канал 35 в турбину 103.
Турбина 103 содержит ряд дисков 36, несущих лопасти, прикрепленных к валу 22. В данном примере два диска 36 несут, каждый, кольцевой массив лопастей 38 турбины. Однако количество дисков, несущих лопасти, может быть различными, то есть только один диск или более двух дисков. Кроме того, направляющие лопатки 40, которые прикреплены к статору 42 газовой турбины 100, расположены между лопастями 38 турбины. Между выходом камеры 28 сгорания и ведущими лопастями 38 турбины предусмотрены направляющие лопатки 44.
Газообразные продукты сгорания из камеры 28 сгорания поступают в турбину 103 и приводят в действие лопасти 38 турбины, что, в свою очередь, приводит во вращение вал 22. Направляющие лопатки 40, 44 служат для оптимизации угла сгорания или направления рабочего газа на лопасти 38 турбины. Компрессор 100 содержит осевую последовательность ступеней 46 направляющих лопаток и ступеней 48 лопастей ротора.
Фиг. 3 схематично показывает систему 301 управления для управления газовой турбиной 100. Система 301 управления содержит блок 306 ввода и блок 307 управления. Желательные значения выходной или входной мощности могут быть введены посредством блока 306 ввода в блок 307 управления. Блок 307 управления вычисляет соответствующие значения для параметров управления газовой турбины 100 на основе желательных входных значений (которые желательно достичь с помощью газовой турбины 100). Параметры управления могут быть, например, количествами топлива, инжектируемыми в камеру 102 сгорания газовой турбины 100. Система 301 управления связана с газовой турбиной 100, таким образом, что газовая турбина 100 эксплуатируется на основе параметров управления.
pred
Кроме того, параметры управления могут быть использованы для моделирования в реальном времени газовой турбины 100. На основе параметров управления, моделирование 302 в реальном времени вычисляет, например, номинальное значение (например, эффективности или производительности) (h) для газовой турбины или соответствующего компонента 101-105 газовой турбины 100.
Кроме того, блок 303 оценки параметров работоспособности связан с газовой турбиной 100, так что значение давления, значение температуры и/или скорость вала могут измеряться в некоторой предопределенной точке измерения в конкретном компоненте 101-105.
estm
На основании измеренных значений температуры, давления и/или скорости вала, блок 303 оценки параметров работоспособности вычисляет оцененное фактическое значение (например, эффективности или производительности) (h) соответствующего компонента 101-105.
pred
estm
pred
estm
Блок 304 значения отклонения связан с блоком 302 модели реального времени и блоком 303 оценки параметров работоспособности для получения номинального значения (h), то есть номинального значения эффективности и/или номинального значения производительности, и оцененного фактического значения (h), т.е. оцененного фактического значения эффективности и/или оцененного значения производительности. На основе номинального значения эффективности и/или номинального значения производительности и оцененного фактического значения эффективности и/или оцененного значения производительности, блок 304 значения отклонения вычисляет значение отклонения Δh (например, по формуле: Δh=h-h), т.е. значение отклонения эффективности и/или значение отклонения производительности.
Значение отклонения Δh может быть предоставлено для блока 305 диагностики, который связан с блоком 304 значения отклонения. На основании значения отклонения Δh, может быть выполнен диагностический анализ и прогностический анализ с целью оценки динамического поведения работоспособности газовой турбины в стационарных и нестационарных режимах работы газовой турбины 100.
Фиг. 4 показывает блок-схему последовательности операций, которая показывает существенные этапы способа в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. В соответствии со способом, измеряют значение давления, значения температуры и, например, скорость вала в точке измерения компонента 101, 102, 103, 104, 105 (см. этап 401).
Скорректированное значение давления определяется на основе заранее определенного коэффициента коррекции давления компонента 101, 102, 103, 104, 105. Скорректированное значение температуры определяется на основе заранее определенного коэффициента коррекции температуры компонента 101, 102, 103, 104, 105 (см. этап 402).
Оцененное фактическое значение (например, эффективность или производительность) компонента 101, 102, 103, 104, 105, определяется на основании скорректированного значения давления, скорректированного значения температуры и, например, скорости вала. Определяется номинальное значение (например, эффективности или производительности) компонента 101, 102, 103, 104, 105, которое прогнозируется на основе по меньшей мере одного заранее определенного входного параметра (см. этап 403).
И, наконец, значение отклонения (например, эффективности или производительности) (η) определяется путем сравнения оцененного фактического значения (например, эффективности или производительности) и номинального значения (например, эффективности или производительности) (см. этап 404).
Номинальное значение (например, эффективности или производительности) компонентов 101, 102, 103, 104, 105 прогнозируется на основе по меньшей мере одного заранее определенного входного параметра, вычисленного блоком 307 управления.
Параметры эффективности и производительности называются параметрами работоспособности компонента 101, 102, 103, 104, 105, так как эффективность и производительность компонента могут быть показательными для состояния/работоспособности (повреждения, износа и т.д.) компонента 101, 102, 103, 104, 105.
Оцененное фактическое значение (например, эффективности или производительности) означает эффективность или производительность, соответственно, компонента, которые основаны на скорректированных измеренных значениях давления и температуры в точке измерения компонента 101, 102, 103, 104, 105. температура может определять температуру рабочего флюида или компонента 101, 102, 103, 104, 105 в точке измерения. Следовательно, вычисленное фактическое значение эффективности основано на реальных измеряемых фактических значениях компонента 101, 102, 103, 104, 105.
Примерные формулы вычисления для оцененного фактического значения эффективности и производительности приведены ниже.
Номинальное значение (например, эффективности или производительности) основано на заранее определенных входных параметрах (таких как подача топлива, требуемая выходная мощность и т.д.), которые вводятся, например, посредством блока 306 ввода или блока 307 управления. Номинальное значение (например, эффективности или производительности) основано на теоретических значениях, например, для давления и температуры, которые теоретически существуют, если компонент 101, 102, 103, 104, 105 приводится в действие с заданными входными параметрами. Следовательно, теоретические значения, например, для давления и температуры основаны на входных параметрах (т.е. параметрах производительности).
Входными параметрами, являются, например, подача топлива в газовую турбину, массовый расход рабочего флюида, закачиваемого или вытекающего из газовой турбины или соответствующего компонента, желательная выходная мощность газовой турбины или соответствующего компонента и т.д. Для компонентов 101, 102, 103, 104, 105 газовой турбины 100, теоретически известно, какие температура, давление и/или скорость вала существуют в точке измерения компонента 101, 102, 103, 104, 105 на основе конкретных параметров впуска для желательного рабочего состояния газовой турбины и компонента соответственно.
Номинальные значения (например, эффективности или производительности) и температура, давление и/или скорость вала, соответственно, могут быть получены из блока 302 модели/имитации реального времени или из лабораторных испытаний опытного образца газовой турбины 100 или компонента 101, 102, 103, 104, 105.
Согласно описанному способу, выполняются измерения давления и температуры в газовом тракте газовой турбины на различных участках (точках измерения на конкретном компоненте 101, 102, 103, 104, 105). Если газовая турбина 100 является двухвальной газовой турбиной, также может учитываться скорость компонента 101, 102, 103, 104, 105 газогенератора и вала силовой турбины.
В таблице 1 выше, перечислены измеренные значения температуры Т и измеренные значения давления Р для конкретных компонентов 101, 102, 103, 104, 105 газовой турбины.
Коэффициент коррекции давления определяется путем определения соотношения между значением входного (вверх по потоку) давления, на верхней по потоку измерительной станции, расположенной выше по потоку от точки измерения компонента, и значение выходного (вниз по потоку) давления на нижней по потоку измерительной станции, расположенной ниже по потоку от точки измерения компонента 101, 102, 103, 104, 105.
Скорректированные значения температуры и давления могут быть определены как среднее арифметическое между соответствующим значением давления или температуры на впуске выше по потоку и выпуском ниже по потоку конкретного компонента 101, 102, 103, 104, 105.
Таким образом, измерения газового тракта (давление, температура) в точке измерения компонента 101, 102, 103, 104, 105 затем корректируются посредством вышеописанных коэффициентов коррекции для представления значения давления или температуры на соответствующей станции.
id
id
Например, измерительные приборы (датчики) двигателя обеспечивают измерения давления и температуры, например, в компоненте соединительного канала (т.е. P, T в таблице 1). Компонент 105 соединительного канала в газовом тракте двигателя находится, например, между компонентом турбины компрессора (CT) 103 и компонентом силовой турбины (РТ) 104. На выпуске турбины компрессора, 103, которая является расположенным выше по потоку компонентом по отношению к компоненту 105 соединительного канала, и впуске силовой турбины 104, которая является расположенным ниже по потоку компонентом по отношению к компоненту 105 соединительного канала, выполняются соответствующие измерения давления и температуры с использованием соответствующих коэффициентов коррекции для измерений (давления, температуры). Затем измеренные значение давления и значение температуры в точке измерения компонента 105 соединительного канала корректируются для учета рассогласования местоположений выпуска CT и впуска PT.
Коэффициент коррекции может быть вычислен также другими способами для других компонентов. Например, если компонент является турбиной компрессора (СТ) 103, измерение некоторых параметров, таких как температура впуска турбины (TIT), очень затруднительно и непрактично, из-за чрезвычайно высокой температуры на впуске турбины 103 компрессора. Следовательно, TIT вычисляется с использованием измерений в различных местоположениях газовой турбины:
Скорректированные измеренные значения (температуры, давления) (см., например, в таблице 2) в различных компонентах 101, 102, 103, 104, 105 газовой турбины 100 теперь используются для вычисления оцененных значений/параметров работоспособности. Вычисление может выполняться одновременно, например, для двух наборов параметров, а именно, эффективности и производительности компонента. Примерные оцененные параметры эффективности и производительности для конкретных компонентов газовой турбины, приведены в таблице 3 выше.
Как можно видеть из таблицы 3, первый набор выбранных параметров работоспособности описывает оцененные фактические эффективности компонентов 101, 102, 103, 104, 105. Следующие эффективности компонентов могут быть вычислены в зависимости от конкретного компонента по различным формулам, которые описаны в качестве примера ниже. Вычисления политропных эффективностей используются для представления эффективности η следующих компонентов:
Политропная эффективность компрессора:
Политропная эффективность турбины компрессора:
Политропная эффективность силовой турбины:
где отношение удельных теплоемкостей для рабочего флюида (воздуха и горячего газа, протекающего через компоненты) определяется полиномиальным отношением:
Эффективности для других компонентов, например, для турбины 101 компрессора и силовой турбины 104, вычисляются с использованием приведенных выше формул, соответственно.
Достигаемое повышение эффективности других компонентов 101, 102, 103, 104, 105, например, для турбины 101 компрессора и силовой турбины 104, рассчитать с использованием перечисленных выше формул, соответственно.
Как можно видеть из таблицы 3, второй набор выбранных параметров работоспособности описывает оцененные фактические производительности Γ компонентов и мощность компонента 104 силовой турбины газовой турбины 100. Затем производительности компонентов и мощность силовой турбины 100 могут быть вычислены по различным формулам, которые описаны ниже в качестве примера. Оцененные параметры производительности требуют также скорректированных измерений газового тракта (температуры, давления), перечисленных в таблице 2, например, скорости вала газовой турбины. В случае, когда газовая турбина 100 содержит двухвальный вариант выполнения, то есть компонент газогенератора и компонент силовой турбины, измеренные скорость вала газогенератора и скорость вала силовой турбины используются в качестве дополнительных входных параметров. Следовательно, измеренная скорость и ускорение вала газогенератора и вала силовой турбины могут быть включены в процесс вычисления, который позволяет заявленному способу регистрировать динамическое поведение выбранных параметров работоспособности газовой турбины, то есть оцененную производительность.
Следующие производительности Γ оцениваются данным способом, например, для следующих компонентов: производительность компрессора, производительность турбины компрессора и производительность камеры сгорания. Эти производительности могут быть вычислены с помощью следующих соотношений:
Производительность компрессора:
Производительность турбины компрессора:
Производительность камеры сгорания:
где производительность силовой турбины:
выводится из заранее определенных характеристик компонента.
Фиг. 5 показывает схематичное представление газовой турбины 100 согласно фиг. 1, в котором показано распределение воздушных потоков.
comb
comp
ct
pt
<mover accent="true"><mi>m</mi><mo>˙</mo></mover>
Переменные для вышеописанных формул (5), (6) и (7) могут быть вычислены по формулам, описанным ниже. Производительности компонентов: Γ, Γи Γ могут быть вычислены с учетом массового расхода  рабочего флюида, протекающего через соответствующие компоненты. Производительность силовой турбины и Γ выводятся из заданного отображения компонента, который представлен 2D-таблицей поиска. Производительность обычно описывается в функции отношения давлений турбины и скорости турбины.
i
Поэтому, отбираемые и охлаждающие воздушные потоки q, показанные на фиг. 5, должны учитываться, как описано ниже:
Массовый расходвыхода камерысгорания
Массовый расходвпуска компрессора
Массовый расходвпуска турбиныкомпрессора
Массовый расходвпуска силовойтурбины
<maths num="15"><math display="block"><mrow><msub><mover accent="true"><mi>m</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>m</mi><mi>b</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Γ</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>m</mi><mi>b</mi></mrow></msub><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>d</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msqrt><mrow><mi>T</mi><mi>I</mi><mi>T</mi></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mn>16</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></math><img file="00000031.jpg" he="12" wi="40" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
<maths num="16"><math display="block"><mrow><msub><mover accent="true"><mi>m</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>m</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Γ</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>m</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>m</mi><mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover><mo>_</mo><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msqrt><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>m</mi><mi>p</mi><mo>_</mo><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000032.jpg" he="14" wi="38" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
<maths num="17"><math display="block"><mrow><msub><mover accent="true"><mi>m</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>c</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Γ</mi><mrow><mi>c</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>t</mi><mo>_</mo><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msqrt><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>c</mi><mi>t</mi><mo>_</mo><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000033.jpg" he="14" wi="28" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
<maths num="18"><math display="block"><mrow><msub><mover accent="true"><mi>m</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>p</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Γ</mi><mrow><mi>p</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>p</mi><mi>t</mi><mo>_</mo><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msqrt><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>p</mi><mi>t</mi><mo>_</mo><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000034.jpg" he="14" wi="30" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
Множители производительностей компонентов получают путем нормализации массовых расходов компонентов массовым расходом камеры сгорания:
Множительпроизводительностикомпрессора
Множительпроизводительноститурбины компрессора
Множительпроизводительностисиловой турбины
<maths num="19"><math display="block"><mrow><msub><mi>M</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>m</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mover accent="true"><mi>m</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>m</mi><mi>p</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mover accent="true"><mi>m</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>m</mi><mi>b</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000035.jpg" he="13" wi="25" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
<maths num="20"><math display="block"><mrow><msub><mi>M</mi><mrow><mi>c</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mover accent="true"><mi>m</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>c</mi><mi>t</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mover accent="true"><mi>m</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>m</mi><mi>b</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000036.jpg" he="12" wi="21" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
<maths num="21"><math display="block"><mrow><msub><mi>M</mi><mrow><mi>p</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mover accent="true"><mi>m</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>p</mi><mi>t</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mover accent="true"><mi>m</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>m</mi><mi>b</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000037.jpg" he="13" wi="22" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
Множитель производительности компрессора выводится из сохранения массы для газогенератора:
ct_cool
Коэффициент δ охлаждающего потока турбины компрессора (СТ) в приведенном выше уравнении определяется как:
i
где q представляет количество воздуха, которое отбирается в конкретном местоположении (см. фиг. 5), при этом
ISBV=межкаскадный выпускной клапан компрессора (101),
BOV=продувочный/выпускной клапан, установленный в центральном кожухе,
BLEED=отбор воздуха под высоким давлением, используемый для герметизации и охлаждения дисков турбины,
LEAK_BLEED=утечка воздуха из потока отбора (BLEED) и
REMIX_BLEED=воздух, используемый для охлаждения компонента СТ.
Множитель производительности компрессора турбины получают из сохранения механической энергии для газогенератора.
В приведенных выше уравнениях для множителей производительности компрессора и турбины компрессора, члены А и В определяются следующим образом:
<mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mi>g</mi><mi>g</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>g</mi><mi>g</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>g</mi><mi>g</mi><mo>_</mo><mi>l</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mi>s</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>g</mi><mi>g</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>g</mi><mi>g</mi></mrow></msub></mrow>
Где  и  являются скоростью и ускорением газогенератора, соответственно. Потери на валу газогенератора представлены коэффициентом потерь , и  - момент инерции газогенератора. В стационарном состоянии (=0) член А сводится к:
Член В выражается как отношение удельных работ для компонентов компрессора и турбины компрессора:
Удельная теплоемкость материала для рабочего флюида (воздуха и горячего газа) может быть определена полиномиальным соотношением четвертого порядка:
и, следовательно, удельная работа для рабочего флюида может быть найдена путем интегрирования выражения для удельной теплоемкости по диапазону температур:
Удельная работа компрессора для воздуха в качестве рабочего флюида:
Удельная работа турбины для горячего газа в качестве рабочего флюида:
pt
comb
Подставляя производительности компонентов Γ (производительность силовой турбины) и Γ (производительность камеры сгорания) в множитель силовой турбины может быть выражен следующим образом:
где производительность PT выводится из отображения компонентов производительности PT:
pt
При использовании определенного множителя M производительности силовой турбины и использовании сохранения механической энергии для вала силовой турбины (РТ), выражение для мощности вала PT может быть выражена следующим образом:
В приведенном выше выражении для мощности на валу силовой турбины (РТ) члены С и D определены следующим образом:
<mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mi>p</mi><mi>t</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>p</mi><mi>t</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>p</mi><mi>t</mi><mo>_</mo><mi>l</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mi>s</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>p</mi><mi>t</mi></mrow></msub></mrow>
Где  и  являются скоростью и ускорением вала силовой турбины (РТ), соответственно. Потери на валу силовой турбины представлены коэффициентом потерь , и  - момент инерции вала РТ.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>p</mi><mi>t</mi></mrow></msub></mrow>
В стационарном состоянии (=0) член С сводится кследовательно, следующее выражение для мощности на валу PT в стационарном состоянии может быть использовано:
М
М
comp
ct
Как описано выше, с помощью предварительно определенных множителей производительности  и , производительности компрессора и турбины компрессора могут быть выражены следующим образом:
Производительность компрессора:
Производительность турбины компрессора:
Для того чтобы вычислить производительность камеры сгорания и сделать это значение доступным для следующего временного шага вычисления (фиг. 5), может быть использовано сохранение массы для компонента силовой турбины:
ct_pt
Воздушный поток δ охлаждения/повторного смешивания турбины компрессора (СТ) и силовой турбины (РТ) в приведенном выше выражении может быть определен как:
Коэффициенты потока повторного смешивания и охлаждения РТ определяются следующим образом:
- поток повторного смешивания РТ:
- поток охлаждения РТ:
i
где q представляет собой количество воздуха, которое отбирается/повторно смешивается в конкретном местоположении (ISBV - межкаскадный выпускной клапан, BOV - продувочный клапан и т.д., [фиг.1]):
ISBV=межкаскадный выпускной клапан компрессора,
BOV=продувочный/выпускной клапан, установленный в центральном кожухе,
BLEED=отбор воздуха под высоким давлением, используемый для герметизации и охлаждения дисков турбины,
LEAK_BLEED=утечка воздуха из потока отбора (BLEED),
REMIX_BLEED=воздух, используемый для охлаждения компонента СТ,
LEAK_ISBV=утечка воздуха из потока межкаскадного выпускного клапана компрессора и
REMIX_ISBV=воздух, используемый для герметизации РТ.
На фиг. 6 показано схематичное представление примерного алгоритма в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.
В частности, показана взаимосвязь с описанными выше формулами. На фиг. 6 показано, что оценка производительностей компонентов и мощности на валу PT является рекурсивным вычислением, и могут учитываться значения производительности камеры сгорания, вычисленной на предыдущем временном шаге. Числа на фиг. 6 обозначают номер вышеописанных формул.
Следовательно, значение отклонения (например, эффективность или производительность), вычисленное способом согласно изобретению, можно сравнивать с другим значением отклонения (например, эффективности или производительности), определенным на предыдущем этапе определения способа согласно изобретению, для определения вариации значения отклонения (например, эффективности или производительности) с течением времени.
В конце каждого временного шага все оцененные параметры обновляются и доступны для дальнейшего действия/принятия решения.
Следует отметить, что термин ʺсодержащийʺ не исключает других элементов или шагов, и указание единственного числа не исключает множества. Также элементы, описанные в связи с различными вариантами осуществления, могут быть объединены. Следует также отметить, что ссылочные позиции в формуле изобретения не должны быть истолкованы как ограничивающие объем формулы изобретения.
Ссылочные позиции:
12 впуск
16 секция горелки
20 ось вращения газовой турбины
22 вал
24 воздух
26 камера повышенного давления горелки
27 корпус с двойной стенкой
28 камера сгорания
30 горелка
32 диффузор
34 газообразные продукты сгорания
35 переходный канал
36 диски, несущие лопасти
38 лопасти турбины
40 направляющие лопатки
42 статор
44 направляющие лопатки впуска
46 ступени направляющих лопаток
48 ступени лопастей ротора
100 газовая турбина
101 компрессор
102 камера сгорания
103 турбина компрессора
104 силовая турбина
105 соединительный канал
301 система управления
302 блок модели реального времени
303 блок оценки параметра работоспособности
304 блок значения отклонения
305 блок диагностики
306 блок ввода
307 блок управления
401 измерение значений
402 определение скорректированных значений
403 определение оцененных фактических значений
404 определение значений отклонения