Система управления турбокомпрессорной установкой
TURBOCHARGER CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к системам управления работой турбокомпрессорной установки и может быть использовано для управления процессом возникновения критических нестационарных автоколебаний компрессора нагнетателя при испытаниях преимущественно авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинных двигателей (ГТД) для стационарных станций.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является система управления турбокомпрессорной
установкой, содержащая средства измерения температуры и давления воздуха на входе в компрессор, средства измерения температуры газов за турбиной низкого давления, устройства измерения частоты вращения ротора низкого давления и давления воздуха за компрессором высокого давления, средства для измерения расхода топлива и величин углов установки входного и направляющих аппаратов компрессора низкого давления, вычислительное устройство для формирования по измеренным параметрам величины рабочей частоты вращения ротора низкого давления и для формирования величины управляющего воздействия для регулировании частоты вращения ротора низкого давления по величине рассогласования между математически заданными программными и измеренными значениями параметров, и средство для передачи величины управляющего воздействия на устройство управления параметрами компрессора.
/RU №2490492 С1, МПК F02C 9/00 Опубликовано: 20.08.2013 г./
Известная система управления позволяет повысить эффективность управления ГТД на переходных режимах, однако не обеспечивает работу компрессора в узком диапазоне рабочей зоны при испытаниях камер сгораний на стендах.
Задачей настоящего изобретения является разработка системы управления турбокомпрессорной установкой обеспечивающей работу установки в узкой рабочей зоне при максимальных значениях КПД, тем самым повышения экономичности турбокомпрессорной установки и ее эффективности при наземных испытаниях ГТД.
Ожидаемый технический результат - предотвращение возникновения критических нестационарных автоколебаний частоты вращения ротора низкого давления, снижение расхода топлива, исключение неоправданных остановок.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что известная система управления турбокомпрессорной установкой, содержащая средства измерения температуры и давления воздуха на входе в компрессор, средства измерения температуры газов за турбиной низкого давления, устройства измерения частоты вращения ротора низкого давления и давления воздуха за компрессором высокого давления, средства для измерения расхода топлива и величин углов установки входного и направляющих аппаратов компрессора низкого давления, вычислительное устройство для формирования по измеренным параметрам величины рабочей частоты вращения ротора низкого давления и для формирования величины управляющего воздействия для регулировании частоты вращения ротора низкого давления по величине рассогласования между математически заданными программными и измеренными значениями параметров, и средство для передачи величины управляющего воздействия на устройство управления параметрами компрессора, по предложению, она дополнительно снабжена компрессором-нагнетателем для изменения температуры и давления воздуха на входе в компрессор двигателя, средствами измерения статического давление на входе в компрессор, полного давления, не менее чем в двух точках в радиальном сечении к оси компрессора-нагнетателя, снабжена дополнительным вычислительным устройством для определения расхода воздуха соответствующего рабочей частоте вращения ротора компрессора-нагнетателя, устанавливаемого по статистически значимым относительно математически заданных программных значений измеренных величин с учетом статического давления, температуры, усредненного полного давления на входе в компрессор-нагнетатель и полного давления за компрессором-нагнетателем и для формирования управляющих воздействий по величине рассогласования между математически заданными программными значениями расхода воздуха и расхода воздуха определенного по значениям измеренных величин в интервале запаса устойчивости компрессора-нагнетателя, а управление параметрами компрессора-нагнетателя производят помпажной заслонкой, установленной на турбокомпрессорной установке.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами:
На фиг. 1 приведена блок схема системы управления турбокомпрессорной установкой при испытаниях преимущественно авиационных газотурбинных двигателей (ГТД).
На фиг. 2 приведена схема алгоритма управления турбокомпрессорной установкой реализуемого системой управления.
Система управления содержит:
1. Устройство управления ГТД и стендовым оборудованием.
2. Датчики измерительной системы двигателя.
3. Датчики стендовой измерительной системы.
4. Агрегаты управления приводов.
5. Регуляторы двигательной системы.
6. Регуляторы стендовой системы.
7. Блок формирования программ двигателя.
8. Блок формирования программ стендового оборудования.
9. Блок накопления данных.
10. Блок грубой отбраковки.
11. Блок определения режимов.
12. Блок расчета двигательной измерительной системы.
13. Блок расчета стендовой измерительной системы.
14. Блок выбора расчета.
15. Блок математической модели.
16. Блок контроля.
17. Блок диагностики.
18. Блок эталонных точек двигателя.
19. Блок эталонных точек нагнетателя.
20. Блок сравнения измерений двигательной системы и заданных параметров.
21. Блок сравнения измерений стендовой системы и заданных параметров.
22. Блок сравнения заданных значений с данными математической модели.
23. Блок сравнения фактических измерений с данными математической модели.
24. Блок коррекции характеристик.
25. Блок достоверности.
26. Блок определения приближения рабочей точки к помпажной границе.
27. Блок выбора приоткрытая помпажной заслонки.
28. Блок блокировки автоматического управления помпажной заслонки.
29. Блок отображения информации.
Изобретение реализуется на турбокомпрессорной установке оснащенной системой управления положением помпажной заслонки, установленной на турбокомпрессорной установке.
Алгоритм управления положением помпажной заслонки представлен в виде модулей заданного определенного назначения, преобразующих поступающие и формирующих управляющие сигналы с помощью блоков устройств внутри системы.
Алгоритм управления положением помпажной заслонки содержит:
(A) "измерительный модуль" - средство сбора данных с датчиков систем статически-изменяемых параметров, осуществляющее аппаратный опрос измерительных каналов с частотой до 100 Гц с одновременной регистрацией информации непосредственно на контроллере или персональном компьютере ПК;
(B) "вычислительный модуль" При поступлении в него измерительной информации производит накопление данных, грубую отбраковку параметров, определение режимов и расчеты моделей по различным методикам;
В вычислительный модуль в соответствии с предложением входит "модуль сравнения".
(С) "модуль сравнения" - средство сравнения, обеспечивает сравнение результатов работы математической модели с использованием рассчитанной информации и математической модели реального времени, обеспечивает проведение отбраковки данных статистическими методами, выбор расчетных значений расхода воздуха и определение достоверности расчета расхода воздуха, необходимого для управления противопомпажной заслонкой и выявление степени приближения к помпажной границе;
(F) "модуль обмена" обеспечивает передачу данных от "вычислительного модуля" на "исполнительный модуль", а также контролирует корректность принятой информации и скорость обмена данными;
(D) "исполнительный модуль" обеспечивает оператора всей необходимой информацией для принятия решения о частичном открытии противопомпажной заслонки, а также осуществляет ее автоматическое полное открытие в случае, когда выявлен помпаж в случае отключения команды "блокировка" при признании расчета достоверным. Система работает следующим образом.
Система управления ГТД и стендового оборудования 1 (фиг. 1) оснащена датчиками измерения параметров его работы и стендового оборудования, а именно датчиками двигательной измерительной системы 2 (фиг. 1) и датчиками стендовой измерительной системы 3 (фиг. 1). Они входят в измерительный модуль (А фиг. 2) Преобразованные сигналы с датчиков поступают в вычислительный модуль (В фиг. 2), а именно вначале в блок накопления данных 9 (фиг. 1), после в блок грубой отбраковки 10 (фиг. 1), где исключаются помехи и сбои измерительной аппаратуры, после в блок определения режима 11 (фиг. 1), блок расчета двигательной измерительной системы 12 (фиг. 1), блок расчета стендовой системы 13 (фиг. 1). У блока грубой отбраковки 10 (фиг. 1) девять выходов: первый- блок определения режима 11 (фиг. 1), второй- блок расчета двигательной измерительной системы 12 (фиг. 1), третий  - блок расчета стендовой системы 13 (фиг. 1), четвертый- блок математической модели 15 (фиг. 1), пятый- блок контроля 16 (фиг. 1), шестой- блок диагностики 17 (фиг. 1), седьмой- блок сравнения измерительной стендовой системы и заданных параметров 21 (фиг. 1), восьмой - блок сравнения измерительной двигательной системы и заданных параметров 20 (фиг. 1), девятый- блок сравнения фактических измерений с данными, полученными в математической модели 23 (фиг. 1). Блок определения режима 11 (фиг. 1) определяет параметры режима и особенности протекания рабочего процесса в двигателе, например, холодный выход, приемистость или сброс. У блока определения режима 11 (фиг. 1) шесть выходов: первый- блок коррекции характеристик 24 (фиг. 1), второй-блок расчета двигательной измерительной системы 12(фиг. 1), третий- блок расчета стендовой системы 13 (фиг. 1), четвертый- блок математической модели 15 (фиг. 1), пятый- блок контроля 16 (фиг. 1), шестой- блок достоверности 25 (фиг. 1).
Выходы блоков расчета двигательной 12 (фиг. 1) и стендовой 13 (фиг. 1) измерительных систем приходят к модулю сравнения (С фиг. 2), к входу блока выбора расчета 14 (фиг. 1), два выхода которого приходят в блок математической модели 15 (фиг. 1) и блок определения приближения рабочей точки к помпажной границе 26 (фиг. 1), а также взаимодействует (вход-выход) с блоком достоверности 25 (фиг. 1).
Блок математической модели 15 (фиг. 1) основной блок модуля сравнения, в котором реализованы корреляционные связи параметров двигателя, линии рабочих режимов и напорные ветки компрессора-нагнетателя, взаимосвязь допусков от режима. В блоке четыре входа (блок определения режима 11 (фиг. 1), блок выбора расчета 14 (фиг. 1), блок грубой отбраковки 10 (фиг. 1) рассмотрены ранее и блок коррекции характеристик 24 (фиг. 1)) и три выхода: блок сравнения заданных значений с данными математической модели 22 (фиг.1), блок сравнения физических измерений с данными математической модели 23 (фиг. 1) и блок контроля 16 (фиг. 1). Блок контроля 16 (фиг. 1) имеет четыре входа (блок грубой отбраковки 10 (фиг. 1), блок определения режима 11 (фиг. 1), блок математической модели 15 (фиг. 1) рассмотрены ранее и блок диагностики 17 (фиг. 1)) и два выхода блок определения приближения рабочей точки к помпажной границе 26 (фиг. 1) и блок выбора приоткрытая помпажной заслонки 27 (фиг. 1).
Также выход блока сравнения физических измерений с данными математической модели 23 (фиг. 1) соединен с входом блока коррекции характеристик 24 (фиг. 1), где после оценки рассогласования измеренных данных с их математическим ожиданием уточняются характеристики.
В блоках контроля 16 (фиг. 1) и диагностики 17 (фиг. 1) происходит проверка аппаратных ошибок, а также допусковый и градиентный контроль, корректировка и расчет значений с учетом паспортных данных датчиков. Блок диагностики 17 (фиг. 1) имеет пять входов (блок грубой отбраковки 10 (фиг. 1), блок сравнения физических измерений с данными математической модели 23 (фиг. 1), блок коррекции характеристик 24 (фиг. 1), блок эталонных точек двигателя 18 (фиг. 1) и блок эталонных точек нагнетателя 19 (фиг. 1)) и четыре выхода (блок контроля 16 (фиг. 1), блок определения приближения рабочей точки к помпажной границе 26 (фиг. 1), блок выбора приоткрытая помпажной заслонки 27 (фиг. 1) и блок достоверности 25 (фиг. 1)).
В блоке определения приближения рабочей точки к помпажной границе 27 (фиг. 1) по рассчитанным и измеренным данным определяются граничные и допусковые режимы работы нагнетателя, согласно исследованиям, проводимым ранее (номинальная, верхняя и нижняя границы зоны допустимых режимов и открытия противопомпажной заслонки). В нем три входа: блок выбора расчета 14 (фиг. 1), блок контроля 16 (фиг. 1), блок диагностики 17 (фиг. 1) и выход в блок выбора приоткрытая помпажной заслонки 27 (фиг. 1). Для исключения управления противопомпажной заслонкой некондиционным расчетом расхода воздуха используется блок достоверности 25 (фиг. 1), в котором два входа блок диагностики 17 (фиг .1) и блок определения режима 11 (фиг. 1), один выход в блок выбора приоткрытая помпажной заслонки 27 (фиг. 1) и взаимосвязь с блоком выбора расчета 14 (фиг. 1).
Передачу данных от вычислительного модуля (В фиг. 2), на исполнительный модуль (D фиг. 2), обеспечивает модуль обмена (F фиг. 2), который контролирует корректность принятой информации и скорость обмена данными.
В исполнительном модуле (D фиг. 2) формируются решения о частичном и полном открытии противопомпажной заслонки, а оператор обеспечивается всей необходимой информацией. В блоке формирования программ двигателя 7 (фиг. 1) и блоке формирования программ стендового оборудования 8 (фиг. 1) происходит формирование программных значений регулируемых параметров в зависимости от входной информации и режимов работы. Выходы идут в блок сравнения заданных значений с данными математической модели 22 (фиг. 1), блок сравнения измерительной двигательной системы и заданных параметров 20 (фиг. 1), в блок сравнения измерительной стендовой системы и заданных параметров 21 (фиг. 1), а далее на регуляторы двигательной системы 5 (фиг. 1) и регуляторы стендовой системы 6 (фиг. 1), где регуляторами формируются требуемые значения регулируемых параметров. Выходы от регуляторов приходят на агрегаты управления приводов 4 (фиг. 1), которые управляют ГТД и стендовым оборудованием.
Применение изобретения позволяет предотвратить возникновение критических нестационарных автоколебаний частоты вращения ротора низкого давления, позволяет обеспечить управление компрессорной установкой и ее работу в узкой рабочей зоне при максимальных значениях КПД запасов его газодинамической устойчивости, снизить расход топлива и исключить неоправданные остановки.