СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ТРЕХКАСКАДНЫМ ГАЗОГЕНЕРАТОРОМ ОТ ПОМПАЖА С ПОСЛЕДУЮЩИМ РАЗРУШЕНИЕМ ГАЗОВОЗДУШНОГО ТРАКТА
METHOD FOR PROTECTING A GAS TURBINE ENGINE WITH A THREE-STAGE GAS GENERATOR AGAINST THE PUMP WITH THE FOLLOWING DESTROY OF THE GAS AIR TRACT

Изобретение относится к области авиационной, энергетической и газовой промышленности и, в частности, может быть использовано при эксплуатации газоперекачивающих агрегатов (далее - ГПА) с приводом от конвертированных газотурбинных двигателей (далее - ГТД) НК-36СТ в условиях компрессорных станций газотранспортных предприятий. Возможна также реализация в системах автоматического управления (далее - САУ) и защит авиационных двигателей НК-25 (установлены на самолете Ту-22М3), НК-32 (установлены на самолете Ту-160), НК-32-02 (установлены на самолете Ту-160М2), НК-361 (установлены на газотурбовозах ГТ1 и их модификациях), НК-37 (эксплуатируются на промышленных электростанциях).
При повреждении элементов проточной части газогенератора НК-36СТ, например, вследствие конструктивного или производственного дефекта, существующая антипомпажная защита сигнализирует о развитии последствий данного повреждения, имеющих лавинообразный характер. Среди вторичных последствий первичных повреждений лопаточного аппарата имели место глубокие помпажи осевого компрессора (далее - ОК) и титановый пожар, начинающийся со ступеней компрессора среднего давления. Срабатывание защиты «Помпаж ГТД» при повреждениях газовоздушного тракта (далее - ГВТ) ГТД происходит, чаще всего, в момент непосредственно помпажа ОК, что влечет за собой дополнительные вторичные повреждения деталей и узлов. Повреждаются опорно-упорные шариковые подшипники, опорные элементы, трубопроводная обвязка вспомогательных систем на ГТД, а также лопатки ступеней до венца с повреждением вследствие обратного тока. Выполненный количественный анализ параметров работы шести ГТД перед аварийными остановами по сигналу «Помпаж двигателя» с разрушением проточной части показал, что за период времени от 20 до 180 минут происходило смещение линии совместной работы каскадов ОК из рабочей зоны к границе устойчивой работы на газодинамической характеристике. Описанная функциональная зависимость показана на Фиг.1, где 1 - это предельно допустимое положение линии средней работы, а 2 - граница устойчивой работы.
Ранее данный недостаток в условиях компрессорных станций компримирования природного газа в целях осуществления трубопроводного транспорта газообразных углеводородов не устранялся. Сведения о подобных технических решениях для применения в авиационной и промышленной отраслях в известных источниках из области техники отсутствуют.
Существует «Способ защиты двухконтурного турбореактивного двигателя от раскрутки турбины низкого давления» (патент RU2602644С1,29.10.2015), основанный на контроле параметров работы двухконтурных и/или двухкаскадных ГТД. Предлагается сравнение скольжения роторов турбины высокого давления (далее - ТВД) и турбины низкого давления (далее - ТНД) с базовым значением совместно с контролем изменения частоты вращения ротора ТВД от заведомо известного базового значения.
Недостатком существующего способа является отсутствие оценки текущего технического состояния лопаточного аппарата трехкаскадного ОК ГТД по штатно контролируемым параметрам, вследствие чего отсутствует возможность своевременно производить нормальное или предаварийное отключение такого двигателя на начальных стадиях повреждения элементов ГВТ до наступления стадии разрушения проточной части. Все существующие методы направлены на защиту двухконтурных и/или двухкаскадных ГТД от разрушения в турбинной части газогенератора при рассоединении валов одного из компрессоров с приводной турбиной, например, компрессора низкого давления (далее - КНД) с ТНД.
Несмотря на техническую сложность построения линии совместной работы и оценки ее отклонения в процессе эксплуатации ГТД, определено, что начало рассогласования каскадов НД, среднего давления (далее - СД) и высокого давления (далее - ВД) ОК проявляется во взаимном нерасчетном отклонении частот вращения соответствующих роторов, что наглядно показано на Фиг.2. Также данная фигура показывает существование единственно возможных нормальных соотношений частот вращения трехкаскадного газогенератора, при котором достигается максимальная эффективность каждого модуля и их работа взаимно согласована. Известно, что увеличение скольжения двух роторов увеличивает коэффициент полезного действия (далее - КПД) совместной работы двух модулей. Однако, при повышении эффективности одной пары каскадов, снижается КПД другой пары. С помощью расчета и сравнения скольжений каскадов СД/НД и ВД/СД стало возможным автоматизированное отслеживание и контроль начала развития дефекта. Было определено, что при нормальной работе двигателя на всех эксплуатационных режимах (исключая пуск, останов ГТД и режимы с открытыми клапанами перепуска воздуха) скольжение роторов СД/НД всегда больше скольжения роторов ВД/СД. Допустимый интервал и сигнализирующий о развитии дефекта в проточной части ОК диапазон скольжений для ГТД НК-36СТ серии Е-300 показаны на Фиг.3. В период развития начальных дефектов и вплоть до аварийного останова ГТД по сигналу «Помпаж ГТД» разница скольжений снижалась до значения 0,010 и стремилась к нулю или достигала отрицательных значений. Анализ эксплуатационных параметров работы исправных ГТД НК-36СТ показал, что во всем диапазоне нагрузок и атмосферных условий работы разница скольжений находилась в диапазоне от 0,010 до 0,075. В связи с конструктивными отличиями в геометрии проточной части ГТД серий Е-300 и Е-100/Е-500 допустимые диапазоны отклонения разницы скольжений качественно отличаются. Для ГТД серий Е100/Е-500 допустимый интервал находится в диапазоне от 0,110 до 0,175. Проведенные количественный и качественный анализы позволили выявить закономерность и судить о разнице скольжений каскадов СД/НД и ВД/СД как о признаке параметрического диагностирования «Отклонение линий совместной работы каскадов ВД, СД, НД ОК» (далее - ΔSвсн) ГТД НК-36СТ.
Задачей изобретения является защита двигателя с трехкаскадным газогенератором от вторичных повреждений и разрушения вследствие помпажа осевого компрессора на начальных стадиях проявления дефектов деталей газовоздушного тракта.
Технический результат - своевременное отключение двигателя (аварийный или вынужденный останов), позволяющее сохранить целостность большинства узлов ГВТ ГТД, в том числе за счет предупреждения помпажа ОК.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается путем внедрения в систему САУ и защиты ГТД расчетного модуля для вычисления и сравнения скольжений роторов газогенератора с выдачей предупредительной и аварийной сигнализации при достижении диагностических параметров граничных значений.
Алгоритм автоматизированного контроля технического состояния ОК ГТД НК-36СТ по скольжениям роторов ВД/СД и СД/НД газогенератора представлен на Фиг.4. В системе САУ ГТД программно добавляют расчетный модуль, состоящий из шести блоков. Блоком 101 постоянно выполняется проверка режима работы ГТД. Если требуемый режим не достигнут, блоком 101 реализуется повторная проверка условий. В момент достижения двигателем эксплуатационных параметров работы, а именно частоты вращения свободной турбины больше 3500 об/мин, приведенной частоты вращения компрессора НД больше 4600 об/мин и, соответственно, подтверждения закрытого положения клапанов перепуска воздуха (далее - КПВ) каскадов СД и ВД, в блоке 102 активируется вычисление скольжений роторов каскадов СД/НД и ВД/СД. Далее блоком 103 рассчитывается разница скольжений роторов СД/НД и ВД/СД, которая является диагностическим признаком ΔSвсн. В связи с отличием границ нормального диапазона данного параметра у ГТД серий Е-300 и Е-100/Е-500 блоком 104 проверяется серия ГТД. В зависимости от определенной модулем серии, блоком 105 реализуется сравнение диагностического параметра ΔSвсн с граничными значениями. При нахождении параметра в диапазоне допустимых значений происходит повторная проверка условий расчета, начиная с блока 101. В случае положительного решения в блоке сравнения 105 в САУ и, впоследствии, оператору выдается сигнализация (предупредительная и аварийная) о рассогласовании каскадов НД, СД, ВД ОК и необходимости выполнения останова ГТД, а также рекомендация к осмотру проточной части ГВТ (блок 106). Блок-схема описывает набор штатно контролируемых системой САУ параметров, а также последовательность логических вычислений и функций сравнения вновь вводимого и рассчитываемого по скольжениям роторов параметра «Отклонение линий совместной работы каскадов ВД, СД, НД ОК» с предельно допустимыми значениями. Частота дискретизации всех вычислений и функций возврата к начальным условиям алгоритма реализуется по частоте измерения частот вращения роторов. Итог алгоритма - сигнализация (предупредительная и аварийная уставки) для системы САУ и оператора о нерасчетной работе ГТД, которая, вероятно, является следствием наличия начальных дефектов проточной части ОК, а также рекомендация к остановке ГТД и проведению осмотра и оценки технического состояния ГВТ. Таким образом, посредством вычисления и сравнения скольжений роторов трехкаскадного газогенератора организуется автоматический контроль взаимной согласованности каскадов НД, СД и ВД ОК ГТД НК-36СТ, осуществляемый с целью оценки технического состояния проточной части, своевременного останова и недопущения помпажа ГТД при повреждении элементов ГВТ, приводящего к многочисленным вторичным повреждениям деталей и узлов ГТД.
Согласно изобретению предложен способ защиты газотурбинного двигателя с трехкаскадным газогенератором от помпажа с последующим разрушением газовоздушного тракта при возникновении первичных дефектов лопаток и рассогласованиях ступеней осевого компрессора, характеризующийся тем, что в систему автоматического управления и защиты газотурбинного двигателя внедряют расчетный модуль, состоящий из блока проверки эксплуатационного режима работы двигателя, блока расчета скольжений роторов низкого давления (НД), среднего давления (СД) и высокого давления (ВД) осевого компрессора (ОК), блока вычисления разницы скольжений роторов газогенератора как параметра «Отклонение линий совместной работы каскадов ВД, СД, НД ОК», блока проверки серии двигателя, необходимого для выбора допустимого диапазона значений параметра, блока сравнения данного параметра с соответствующими граничными значениями, а также блока выдачи предупредительной и аварийной сигнализации о необходимости отключения двигателя и выполнения оценки технического состояния проточной части осевого компрессора.