Способ обнаружения помпажа и вращающегося срыва компрессора
METHOD FOR DETECTING SURGING AND ROTATING STALL OF A COMPRESSOR

Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей (ГТД). Изобретение касается обнаружения помпажа и вращающегося срыва компрессора и может быть применено для любых типов газотурбинных двигателей, в частности, для авиационных газотурбинных двигателей, таких как турбореактивные двигатели, турбовинтовые двигатели и т.д.
Известен способ обнаружения помпажа компрессора, включающий измерение параметров компрессора, определение знака и вычисление величины производных по времени от этих параметров, сравнение каждой производной со своим пороговым значением и формирование дискретных сигналов превышения производными от параметров своих пороговых значений, при этом все дискретные сигналы превышения производными от параметров своих пороговых значений задерживают на заданное время, и сигнал помпажа формируют при наличии одновременно двух или более задержанных дискретных сигналов о превышении производными от параметров своих пороговых значений. В частном случае для формирования сигнала помпажа в зависимости от конкретных особенностей компрессора, условий его эксплуатации и типа его привода с пороговыми значениями сравнивают все или некоторые из следующих производных по времени от параметров: положительные производные от давления всасывания, давления в характерной точке проточной части, частоты вращения ротора и отрицательные производные от давления нагнетания, разности давлений нагнетания и всасывания, перепада давления на местном сопротивлении во входном или выходном патрубке, потребляемой компрессором мощности (RU 2263234 С1, МПК F04D 27/02, опубл. 2005).
В результате анализа известного способа необходимо отметить, что сигналы давления (или разности давлений) воздуха в компрессоре газотурбинного двигателя имеют широкий спектр, и дифференцирование сигналов приводит к увеличению высокочастотных шумов. При использовании производных для формирования сигнала помпажа есть риск формирования ложных сигналов, в частности, при нестабильных процессах в камере сгорания (например, при подключении в работу очередного топливного коллектора). Одним из способов помехозащищенности является использование нескольких сигналов по схеме «И». Однако данный способ ведет к проблемам, связанным с совмещением сигналов по времени (фазирование), и, следовательно, к потере быстродействия. Поэтому для помехозащищенности систем противопомпажной защиты двигателя целесообразным является использование полосовых фильтров, настроенных на фактические частоты помпажных колебаний.
Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ обнаружения помпажа и вращающегося срыва компрессора газотурбинного двигателя, включающий контроль колебаний давления воздуха за компрессором двигателя и формирование сигнала на включение средств ликвидации помпажа, например сигнала на ограничение подачи топлива, при этом колебания давления воздуха за компрессором контролируют параллельно широкополосным и низкочастотным сигнализаторами помпажа, причем сигнал низкочастотного сигнализатора помпажа сохраняют в течение заданного времени, соответствующего максимально возможной длительности ликвидации помпажа, и при получении одновременно сигналов от обоих сигнализаторов помпажа формируют сигнал на включение средств ликвидации помпажа, который подают с задержкой на заданное время, соответствующее длительности одного низкочастотного помпажного колебания давления воздуха за компрессором, при условии сохранения сигнала от широкополосного сигнализатора по истечении указанного заданного времени задержки (RU 2374143 С1, МПК B64D 31/00, опубл. 2009).
В результате анализа данного способа необходимо отметить, что сигнал помпажа формируется по двум сигнализаторам, выходы которых объединяются по схеме «И». Как было отмечено выше, такое решение снижает вероятность ложного формирования сигнала, но ведет к увеличению времени реакции системы. Также использование схемы «И» не позволяет определить момент выхода компрессора из вращающегося срыва: низкочастотный сигнализатор помпажа сообщает только о моменте начала вращающегося срыва, и его сигнал сразу обнуляется, что приводит к обнулению выхода схемы «И». Как следствие, возникает необходимость вводить при снятии сигнала помпажа заранее заданные задержки. Выбор таких задержек является трудоемким процессом. При выборе сравнительно небольших задержек существует риск, что за такое время снижения расхода топлива помпаж (или вращающийся срыв) не будет ликвидирован. Увеличение задержек приводит к существенному снижению режима работы двигателя и опасной потере тяги.
Задачей заявленного изобретения является повышение надежности работы компрессора.
Техническим результатом настоящего изобретения является снижение вероятности разрушения компрессора и потерь тяги при неустойчивой работе компрессора за счет снижения времени реакции средств ликвидации помпажа и вращающегося срыва компрессора и определения момента окончания неустойчивой работы компрессора.
СР
ВЧ
ВЧ
СР
СР
СР
СР
Указанный технический результат достигается тем, что в способе обнаружения помпажа и вращающегося срыва компрессора измеряют характерный параметр Пк работы компрессора, формируют среднее значение Пк параметра Пк фильтром низкой частоты, формируют сигнал Пк высокочастотной составляющей параметра Пк фильтром высокой частоты, формируют средний уровень  абсолютного значения сигнала Пк высокочастотной составляющей параметра, вычисляют отношение () величины  к среднему значению Пк параметра, и при превышении отношения  первого заранее определенного порога формируют сигнал на первом сигнализаторе, формируют отклонение ΔПк параметра от его среднего значения Пк, вычисляют отношение (ΔПк/Пк) отклонения ΔПк к среднему значению параметра, и при снижении отношения ΔПк/Пк ниже второго заранее определенного порога формируют сигнал на втором сигнализаторе, а при наличии любого из сигналов сигнализаторов формируют сигнал помпажа/вращающегося срыва компрессора, в соответствии с которым включают средства ликвидации помпажа и вращающегося срыва компрессора.
Существенные признаки могут иметь развитие и дополнение.
В качестве характерного параметра работы компрессора используют сигнал давления воздуха за последней ступенью компрессора.
В качестве характерного параметра работы компрессора используют сигнал перепада давления на местном сопротивлении во входном или выходном патрубке компрессора.
В качестве фильтра низкой частоты используется выполненный в виде последовательно включенных и охваченных обратными связями интеграторов фильтр Баттерворта не ниже второго порядка, а в качестве сигнала высокочастотной составляющей параметра используется входной сигнал первого интегратора.
Для формирования среднего уровня абсолютного значения параметра используют нерекурсивный фильтр с заранее определенным временным окном.
Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых представлены:
на фиг. 1 - схема системы, реализующей заявленный способ;
на фиг. 2 - график переходного процесса при вращающемся срыве компрессора;
фиг. 3 - схема фильтра Баттерворта третьего порядка, выполненного на интеграторах, охваченных обратными связями.
Система (фиг. 1) содержит датчик 1 измерения характерного параметра Пк работы компрессора, например, давления воздуха за его последней ступенью.
Выход датчика 1 подключен к первому фильтру 2 низкой частоты (ФНЧ), к последовательно соединенным фильтру 3 высокой частоты (ФВЧ), выпрямителю 4 и второму фильтру 5 низкой частоты, и второму (инвертирующему) входу сумматора 6. К первому входу сумматора 6 подключен выход первого ФНЧ 2.
Система содержит два делителя 7 и 8. К входу делителя 7 подключен выход второго ФНЧ 5, к входу делителя 8 - выход первого ФНЧ 2. К входу делимого делителя 8 подключен выход сумматора 6, к входу делимого делителя 7 - выход первого ФНЧ 2.
Система содержит два компаратора 9 и 10 и логический элемент 11 «ИЛИ». К входу первого компаратора 9 подключен выход делителя 7, а к входу второго компаратора 10 - выход делителя 8. Выходы компараторов 9 и 10 подключены к входам логического элемента 11 «ИЛИ».
СР
ФНЧ 2 формирует на своем выходе среднее значение Пк характерного параметра работы компрессора.
ВЧ
ФВЧ 3 формирует на своем выходе сигнал Пк высокочастотной составляющей характерного параметра работы компрессора.
ФНЧ 5 формирует на своем выходе средний уровень  абсолютного значения высокочастотной составляющей характерного параметра работы компрессора.
Сумматор 6 формирует отклонение ΔПк характерного параметра работы компрессора от его среднего уровня:
СР
ΔПк=Пк-Пк.
Делитель 7 формирует отношение
СР
Делитель 8 формирует отношение ΔПк/Пк.
Цепь элементов 3, 4, 5, 7, 9 представляет собой первый сигнализатор, цепь элементов 2, 6, 8, 10 - второй.
Логический элемент ИЛИ 11 формирует на своем выходе сигнал «Помпаж/Вращающийся срыв».
Система может быть скомпонована из известных блоков и элементов.
В качестве датчика 1 измерения характерного параметра работы компрессора могут использоваться тензорезистивные датчики давления воздуха или газа, измеряющие давление в характерных точках компрессора, например за его последней ступенью, или тензорезистивные датчики перепада давления на местном сопротивлении во входном или выходном патрубке или Т-образном насадке.
Использующиеся в системе фильтры низкой и высокой частоты являются стандартными, например в качестве первого ФНЧ 2 и ФВЧ 3 может быть использован известный фильтр Баттерворта третьего порядка. В качестве второго ФНЧ 5 может использоваться аналоговый фильтр первого порядка или цифровой нерекурсивный фильтр скользящего среднего с заранее определенным временным окном.
Постоянные времени аналоговых фильтров и временное окно нерекурсивного фильтра зависят от частоты колебаний давления воздуха при помпаже и вращающемся срыве, а также от динамических характеристик компрессора.
Выпрямитель 4, делители 7, 8, сумматор 6, компараторы 9, 10, логический элемент 11 «ИЛИ» являются стандартными.
Второй вход сумматора 6 является инвертирующим.
Первый компаратор 9 формирует на своем выходе сигнал логической единицы при превышении входной величины компаратора 9 заранее определенного порога.
Второй компаратор 10 формирует на своем выходе сигнал логической единицы при снижении входной величины компаратора 10 ниже заранее определенного порога.
Пороги срабатывания компараторов 9, 10 выбираются в зависимости от характеристик компрессора: уровня снижения характерного параметра работы компрессора и амплитуды его колебаний при возникновении помпажа или вращающегося срыва.
В качестве характерного параметра может использоваться любой параметр, характеризующий устойчивость работы компрессора, например давление воздуха за последней ступенью компрессора или перепад давлений на местном сопротивлении. Выбор характерного параметра не влияет на логику работы противопомпажной защиты. Ниже рассматривается пример, когда в качестве характерного параметра используется давление за последней ступенью компрессора.
При устойчивой работе компрессора на установившихся и в переходных режимах работы двигателя пульсации давления за последней ступенью компрессора практически отсутствуют, и за счет выбора частоты среза фильтра высокой частоты ФВЧ 3 формирует на своем выходе сигнал, близкий к нулю, который, пройдя через выпрямитель 4 и будучи отфильтрован ФНЧ 5, приведет к формированию нулевого сигнала на входе делителя 7, а следовательно, нулевого сигнала на выходе делителя 7, и срабатывания компаратора 9 не произойдет. В свою очередь, средний уровень давления, формируемый первым ФНЧ 2, практически совпадает с его мгновенным значением, измеренным датчиком 1. На сумматоре 6 формируется нулевой сигнал, на выходе делителя 8 также формируется нулевой сигнал, и срабатывания компаратора 10 не происходит. На выходе элемента «ИЛИ» 11 также нулевой сигнал.
За счет выбора частоты среза ФНЧ 2 сигнал среднего уровня давления, формируемый первым ФНЧ 2, практически совпадает с его мгновенным значением, или величина относительного отклонения (формируется делителем 8) столь мала, что срабатывания компаратора 10 не происходит. Высокочастотные пульсации, характерные для режима вращающегося срыва, отсутствуют. На выходе элемента «ИЛИ» 11 также нулевой сигнал.
При возникновении неустойчивой работы компрессора происходит резкое снижение давления за его последней ступенью (см. график на фиг. 2).
На графике иллюстрируются:
K
P - изменение давления воздуха за последней ступенью компрессора при возникновении вращающегося срыва;
9
U - сигнал на первом сигнализаторе (сигнал компаратора 9);
10
U - сигнал на втором сигнализаторе (сигнал компаратора 10).
При этом возникает рассогласование между мгновенным значением параметра Пк и его средним значением, сформированным ФНЧ 2. Рассогласование имеет отрицательный знак (мгновенное давление больше среднего). При снижении значения рассогласования ниже порога срабатывания компаратора 10, компаратор 10 формирует на своем выходе единичный сигнал, который приводит к формированию сигнала «Помпаж/Вращающийся срыв» на логическом элементе 11. Данный сигнализатор не имеет в своей структуре задержек, поэтому реакция системы определяется скоростью снижения давления при возникновении неустойчивой работы компрессора.
Вслед за снижением давления возникают пульсационные колебания давления в тракте компрессора характерной высокой частоты (см. фиг. 2). ФВЧ 3 выделяет эти колебания, затем выпрямитель 4 и ФНЧ 5 формируют сигнал, эквивалентный среднему уровню высокочастотных колебаний. Делитель 7 формирует относительный уровень высокочастотных колебаний. При превышении этого уровня порога срабатывания компаратора 9, компаратор срабатывает.
По мере приближения среднего уровня давления (разрядка фильтра), формируемого ФНЧ 2, к его Мгновенному значению, относительный сигнал отклонения, формируемый делителем 8, падает, и компаратор 10 формирует нулевой сигнал. Пока в воздушном тракте компрессора присутствуют пульсационные колебания, на выходе компаратора 9 сохраняется единичный сигнал. Как следствие, на выходе элемента «ИЛИ» 11 поддерживается единичный сигнал.
Средства ликвидации помпажа и вращающегося срыва компрессора выполняют необходимые действия для восстановления устойчивой работы компрессора и могут быть выполнены различными способами, в частности в виде системы ликвидации неустойчивой работы компрессора.
Задачей системы ликвидации неустойчивой работы компрессора является повысить запасы устойчивости компрессора, что достигается снижением режима работы компрессора и расхода воздуха через него. В зависимости от конструктивных особенностей компрессора система может подавать команды на прикрытие входных направляющих аппаратов компрессора, открытие противопомпажных клапанов и клапанов перепуска воздуха. При применении компрессора в составе газотурбинных двигателей система также подает команду на снижение расхода топлива в камеру сгорания ГТД.
Когда устойчивая работа компрессора восстанавливается, уровень пульсационных колебаний падает, происходит обратное срабатывание компаратора 9 и снятие сигнала «Помпаж/Вращающийся срыв» на элементе 11 «ИЛИ» (см. фиг. 2).
Помехозащищенность и, как следствие, надежность работы системы определяется частотными характеристиками фильтров высокой и низкой частоты, которые должны обеспечивать в переходных режимах работы выделение провала давления и пульсационной составляющей.
Среднее значение и переменную составляющую характерного параметра работы компрессора можно выделить с помощью фильтра Баттерворта, например, реализованного с помощью интеграторов, охваченными обратными связями (см. фиг. 3). Выход последнего интегратора представляет собой среднее значение давления за компрессором, сигнал, поступающий на вход первого интегратора - переменная составляющая давления. Порядок фильтра определяется требованиями к затуханию в переходной области, необходимого для частотной селекции переходных режимов системы управления и колебаний давления при потере газодинамической устойчивости.
Предлагаемый способ обеспечивает надежное формирование сигнала неустойчивой работы компрессора, сигнализирует об окончании неустойчивой работы и обеспечивает практически мгновенную реакцию системы ликвидации помпажа. Применение способа повышает надежность работы компрессора и снижает время потери тяги двигателем.