СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ НА РЕЖИМАХ РАЗГОНА И ДРОССЕЛИРОВАНИЯ
METHOD OF CONTROLLING GAS TURBINE ENGINE IN ACCELERATION AND THROTTLING

Изобретение относится к газотурбинным двигателям, а точнее - к автоматическому управлению газотурбинным двигателем на переменных режимах.
Известен способ управления газотурбинным двигателем в режиме разгона, в котором для обеспечения заданного времени разгона в качестве параметра управления используют частоту вращения ротора газогенератора (турбокомпрессора) газотурбинного двигателя и давления воздуха за компрессором, формируют сигнал, пропорциональный текущему расходу топлива, сравнивают с программой регулирования расхода топлива, полученную разность интегрируют и перестраивают программу регулирования расхода в сторону уменьшения этой разности (патент SU №898794).
Однако известный способ не предусматривает изменения заданной величины ускорения при снижении запасов газодинамической устойчивости, например при изменении нагрузки на валу турбины, что не обеспечивает требуемое время разгона.
Известен способ управления газотурбинной энергетической установкой, при котором для предотвращения недопустимых тепловых напряжений в турбине дозирование топлива в камеру сгорания выполняется в соответствии с отклонением фактической частоты вращения ротора турбокомпрессора от его заданной частоты, формируемой на основе отклонения фактической мощности (нагрузки) генератора от заданной мощности, при этом задается ограничение верхнего предела изменения расхода топлива (патент JP №3361053).
тк
тк
тк
Известный способ не предусматривает измерения величины ускорения частоты вращения ротора турбокомпрессора n° и формирования заданной величины ускорения  при снижении запасов газодинамической устойчивости, например при изменении нагрузки на валу турбины. В результате этого возможно существенное увеличение расхода топлива в камеру сгорания над требуемым, например при отключении нагрузки на валу турбины, что может привести к перегреву турбины или к помпажу компрессора. Для исключения подобных забросов расхода топлива в камеру сгорания необходима корректировка заданной величины параметра n° в зависимости от других сигналов или параметров (например, сигнала отключения нагрузки), кроме n.
тк
тк
вх
тк пр
тк
Наиболее близким к предлагаемому является способ управления газотурбинным двигателем на режимах разгона и дросселирования, включающий измерение частоты вращения n и ускорения n° ротора турбокомпрессора, измерение температуры воздуха Т* на входе в турбокомпрессор, вычисление приведенной по температуре воздуха на входе в турбокомпрессор частоты вращения ротора турбокомпрессора n, формирование величины ускорения  по двум заранее установленным зависимостям  и  для режима разгона и режима дросселирования, соответственно, формирование сигнала разгона I=1 или сигнала дросселирования I=0, изменение расхода топлива в камеру сгорания в зависимости от величины отклонения текущего ускорения ротора турбокомпрессора n° от заданной величины  (патент RU №2337250).
Недостатком известного способа является то, что в составе системы автоматического управления газотурбинным двигателем, который является приводом электрического генератора, возможна потеря газодинамической устойчивости в процессе разгона или дросселирования при быстрых изменениях нагрузки генератора, что делает практическое использование данного способа нецелесообразным для газотурбинных двигателей, являющихся приводом электрогенератора.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в улучшении качества регулирования двигателя на переменных режимах путем снижения вероятности возникновения неустойчивой работы компрессора и перегрева турбины за счет регулирования величины заданного ускорения частоты вращения турбокомпрессора с учетом наличия или отсутствия нагрузки генератора, приводимого от газотурбинного двигателя.
тк
тк
вх
тк пр
тк
*
Сущность технического решения заключается в том, что в способе управления газотурбинным двигателем на режимах разгона и дросселирования, включающем измерение частоты вращения n и ускорения n° ротора турбокомпрессора, измерение температуры воздуха Т  на входе в турбокомпрессор, вычисление приведенной по температуре воздуха на входе в турбокомпрессор частоты вращения ротора турбокомпрессора n, формирование величины ускорения  по двум заранее установленным зависимостям  и  для режима разгона и режима дросселирования, соответственно, формирование сигнала разгона I=1 или сигнала дросселирования I=0, изменение расхода топлива в камеру сгорания в зависимости от величины отклонения текущего ускорения ротора турбокомпрессора n° от заданной величины , СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ дополнительно принимают сигнал включения нагрузки генератора, при отсутствии сигнала включения нагрузки генератора и при наличии сигнала разгона I=1 формируют величину ускорения  по заранее установленной зависимости  а изменение расхода топлива в камеру сгорания осуществляют из условия выполнения трех указанных зависимостей.
Путем формирования сигналов на изменение заданной величины ускорения  и расхода топлива в зависимости от режима работы газотурбинного двигателя, располагаемых запасов газодинамической устойчивости и наличия нагрузки генератора, приводимого от газотурбинного двигателя, снижается вероятность возникновения неустойчивой работы компрессора, обеспечиваются заданные запасы газодинамической устойчивости и исключается помпаж.
На чертеже - представлена структурная схема устройства для реализации заявляемого способа управления газотурбинным двигателем на режимах разгона и дросселирования.
Блок 1 - датчик измерения температуры воздуха на входе в турбокомпрессор газотурбинного двигателя (Твх*).
Блок 2 - блок формирования параметра нагрузки, в качестве параметра нагрузки используется, например, величина приведенной частоты вращения турбокомпрессора
Блок 3 - блок задания нагрузки, подключаемой к электрическому генератору, приводимому во вращение силовой турбиной ГТД.
Блок 4 - блок сравнения (компаратор) имеет два входа и один выход. В этом блоке осуществляется сравнение параметра нагрузки с заданным значением нагрузки (подключаемой к электрическому генератору), которое устанавливается оператором (как правило, с пульта управления). Если параметр нагрузки меньше заданного значения, на выходе блока 4 формируется сигнал I=1. Если параметр нагрузки больше заданного значения, на выходе блока 4 формируется сигнал I=0.
тк
Блок 5 - датчик измерения частоты вращения ротора турбокомпрессора n.
тк пр
тк пр
Блок 6 - блок вычисления приведенной по температуре воздуха на входе в турбокомпрессор частоты вращения ротора турбокомпрессора n. Величина n вычисляется по входным сигналам, поступающим с блоков 1 и 5, по известной формуле приведения
тк пр
тк пр
Блок 7 - блок формирования заданной величины ускорения  по заранее установленным зависимостям  от n для режимов разгона (при наличии и отсутствии нагрузки генератора) и дросселирования газотурбинного двигателя в зависимости от текущего значения n, наличия нагрузки генератора и сигнала I. При наличии сигнала разгона I=1 и отсутствии сигнала включения нагрузки генератора для обеспечения требуемой кривой разгона применяется функциональная зависимость  При наличии сигнала разгона I=1 и наличии сигнала включения нагрузки генератора для обеспечения требуемой кривой разгона применяется функциональная зависимость  При отсутствии сигнала разгона I=0 для сброса (дросселирования режима) используется зависимость
тк
тк
о
Блок 8 - дифференцирующий блок, на вход которого поступает сигнал о величине частоты вращения ротора турбокомпрессора n, а на выходе формируется сигнал о величине ускорения n .
упр.
тк
упр.
тк
Блок 9 - блок формирования управляющего сигнала I на дозатор топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя. Блок 9 имеет два входа, связанных с выходами блоков 7 и 8, и один выход. При >n° управляющий сигнал I увеличивает расход топлива в камеру сгорания, при <n° управляющий сигнал уменьшает расход топлива в камеру сгорания.
упр.
Блок 10 - дозатор топлива обеспечивает подачу топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя по сигналу I
тк пр
т
тк
тк пр
Вышеуказанные зависимости  от n задают по результатам моделирования работы газотурбинного двигателя на всех динамических режимах сброса (наброса) нагрузки приводимого от двигателя электрического генератора в координатах G=f(n) с целью обеспечения требуемых запасов газодинамической устойчивости компрессора и прочности (повреждаемости) турбины. Моделированием установлено, что для газотурбинного двигателя, приводящего электрический генератор, зависимость  от n для режима разгона (I=1) должна быть различной при включенной нагрузке генератора и при ее отключении:  и  соответственно. Чаще всего зависимость  реализуется при работе газотурбинного двигателя при переходе с режима холостого хода на режим заданной нагрузки при работе электрического генератора на автономную нагрузку. При этом целесообразно соблюдать соотношение
Способ осуществляется следующим образом.
тк
тк пр
тк
тк пр
тк пр
упр
При работе газотурбинного двигателя выполняется постоянное измерение температуры воздуха на входе в двигатель Т*вх (блок 1), частоты вращения ротора турбокомпрессора n (блок 5), параметра нагрузки (блок 2), вычисление приведенной частоты вращения ротора турбокомпрессора n (блок 6) и первой производной по времени параметра n (блок 8), а также сравнение параметра нагрузки с его заданным значением (блок 4). Для выполнения разгона, т.е. приема нагрузки, оператор задает требуемое повышенное значение нагрузки, в результате на выходе блока 4 формируется сигнал разгона I=1 (заданное значение нагрузки больше фактического текущего значения нагрузки), который поступает на первый вход блока 7. Одновременно на второй вход блока 7 поступает сигнал о величине приведенной частоты вращения ротора турбокомпрессора n, а на третий вход блока 7 поступает сигнал включения нагрузки генератора. При этом на выходе блока 7 при отсутствии сигнала включения нагрузки генератора формируется сигнал о заданной величине ускорения  по заранее установленной зависимости  а при наличии сигнала включения нагрузки генератора формируется сигнал о заданной величине ускорения  по заранее установленной зависимости  При выполнении режима дросселирования (I=0), при сбросе нагрузки на выходе блока 4 формируется сигнал дросселирования I=0, который поступает на первый вход блока 7. На второй вход блока 7 поступает сигнал о величине приведенной частоты вращения ротора турбокомпрессора n, а на третий вход блока 7 поступает сигнал включения нагрузки генератора. При этом на выходе блока 7 при отсутствии или наличии сигнала включения нагрузки генератора формируется сигнал о заданной величине ускорения  по заранее установленной зависимости  Управляющий сигнал I из блока 9 поступает на дозатор топлива (блок 10), изменяя расход топлива GT в камеру сгорания газотурбинного двигателя из условия поддержания заданного значения ускорения  по заранее установленным зависимостям
тк пр
тк пр
тк пр
Предлагаемый способ проверен в составе системы автоматического управления газотурбинной электростанции типа «Урал» (мощностью 2,5; 4 и 6 МВт) производства ОАО «Авиадвигатель», Россия. Электростанция содержит газотурбинный двигатель типа Д - 30ЭУ, изготовленный на базе авиационного двигателя Д-30 третьей серии, свободную силовую турбину (турбина низкого давления базового двигателя) и синхронный генератор трехфазного переменного тока типа ГТГ (рассчитан на ~10,5 кВ). Моделированием, испытаниями и эксплуатацией подтверждено, что на приемистости при отключенной нагрузке генератора для обеспечения требуемых запасов газодинамической устойчивости целесообразно поддерживать  об/мин/с независимо от n, а на приемистости при включенной нагрузке генератора  об/мин/с в зависимости от n. При указанных значениях  также обеспечивается оптимальное тепловое нагружение лопаток турбины из условия ее прочности (минимальной повреждаемости). При выполнении дросселирования необходимо поддерживать  об/мин/с независимо от n.