СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ОТ ПОМПАЖА
METHOD FOR PROTECTING A GAS TURBINE ENGINE FROM PUMPING

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических системах автоматического управления (САУ) газотурбинных двигателей (ГТД).
Наиболее близким аналогом по технической сущности и принятым за прототип, является способ защиты газотурбинного двигателя от помпажа согласно Патенту RU № 2472974, МПК F04D 27/02, опубл. 20.01.2013, заключающийся в том, что измеряют температуру газов за турбиной Тт газогенератора, сравнивают ее значение с заданным, если измеренная температура газов превысила заданное значение, уменьшают расход топлива в камеру сгорания  до тех пор, пока измеренная температура газов не станет меньше заданного значения, на всех режимах работы ГТД от минимального до максимального измеряют давление воздуха за компрессором Рк, вычисляют относительное изменение и относительную скорость изменения давления воздуха за компрессором, сравнивают относительное изменение давления с первой наперед заданной величиной, определяемой для каждого типа ГТД экспериментально, а относительную скорость - со второй наперед заданной величиной, определяемой для каждого типа ГТД экспериментально, если относительное изменение давления больше первой наперед заданной величины, а относительная скорость - больше второй наперед заданной величины, формируют сигнал «Помпаж», прекращают подачу топлива в камеру сгорания  на наперед заданное время, определяемое для каждого ГТД экспериментально в процессе приемосдаточных испытаний, открывают клапаны перепуска воздуха на запуске (КПВЗ) из-за промежуточных ступеней компрессора и из-за компрессора.
Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает защиту газотурбинного двигателя от глубокой потери газодинамической устойчивости - помпажа, позволяя ликвидировать только срывные явления в компрессоре.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения и не может быть реализовано при использовании прототипа, является сохранение работоспособности и ресурса газотурбинного двигателя, повышение надежности двигателя при возникновении помпажа.
Техническая проблема решается тем, что в способе защиты газотурбинного двигателя от помпажа, заключающемся в том, что измеряют температуру газов за турбиной Тт газогенератора, сравнивают ее значение с заданным, если измеренная температура газов превысила заданное значение, уменьшают расход топлива в камеру сгорания  до тех пор, пока измеренная температура газов не станет меньше заданного значения, на всех режимах работы ГТД от минимального до максимального измеряют давление воздуха за компрессором Рк, вычисляют относительное изменение и относительную скорость изменения давления воздуха за компрессором, сравнивают относительное изменение давления с первой наперед заданной величиной, определяемой для каждого типа ГТД экспериментально, а относительную скорость - со второй наперед заданной величиной, определяемой для каждого типа ГТД экспериментально, если относительное изменение давления больше первой наперед заданной величины, а относительная скорость - больше второй наперед заданной величины, формируют сигнал «Помпаж», прекращают подачу топлива в камеру сгорания на наперед заданное время, определяемое для каждого ГТД экспериментально в процессе приемосдаточных испытаний, открывают клапаны перепуска воздуха на запуске (КПВЗ) из-за промежуточных ступеней компрессора и из-за компрессора, согласно изобретению дополнительно на всех режимах работы ГТД от минимального до максимального измеряют частоту вращения ротора свободной турбины  Nст, а также температуру газов за турбиной Тт газогенератора и частоту вращения ротора Nгг газогенератора, вычисляют скорости изменения этих параметров, при закрытых КПВЗ сравнивают скорость изменения температуры газов за турбиной  с первой наперед заданной величиной, скорость изменения частоты вращения ротора  газогенератора со второй наперед заданной величиной, если скорость изменения температуры газов за турбиной  больше первой наперед заданной величины и скорость изменения частоты вращения ротора  газогенератора меньше второй наперед заданной величины, а в случае открытых КПВЗ дополнительно сравнивают скорость изменения частоты вращения ротора свободной турбины  с третьей наперед заданной величиной, и если скорость изменения температуры газов за турбиной  больше первой наперед заданной величины, а скорость изменения частоты вращения ротора  газогенератора меньше второй наперед заданной величины и скорость изменения частоты вращения ротора свободной турбины  меньше третьей наперед заданной величины, то формируют сигнал «Помпаж  параметрический», а при одновременном формировании сигнала «Помпаж» и сигнала «Помпаж параметрический» формируют сигнал «Аварийный останов ГТД» и выполняют аварийный останов ГТД, для чего одновременно с сигналом «Аварийный останов ГТД» выдают команды на открытие клапана перепуска воздуха (КПВ) компрессора, клапана перепуска газа (КПГ), КПВЗ  и снижают расход топлива в камеру сгорания,  далее через 0,1 с после формирования сигнала «Аварийный останов ГТД» выдают команду на открытие первой заслонки перепуска воздуха (ЗПВ) компрессора, через 0,3 с после формирования сигнала «Аварийный останов ГТД» выдают команду на открытие второй заслонки перепуска воздуха (ЗПВ) компрессора, через 0,5 с после формирования сигнала «Аварийный останов ГТД» выдают команду на закрытие стопорного клапана.
Способ защиты газотурбинного двигателя от помпажа, включающий общие известные признаки с прототипом, заключается в том, что измеряют температуру газов за турбиной Тт газогенератора, сравнивают ее значение с заданным, если измеренная температура газов превысила заданное значение, уменьшают расход топлива в камеру сгорания до тех пор, пока измеренная температура газов не станет меньше заданного значения, на всех режимах работы ГТД от минимального до максимального измеряют давление воздуха за компрессором Рк, вычисляют относительное изменение и относительную скорость изменения давления воздуха за компрессором, сравнивают относительное изменение давления с первой наперед заданной величиной, а относительную скорость - со второй наперед заданной величиной, определяемой для каждого типа ГТД экспериментально, если относительное изменение давления больше первой наперед заданной величины, а относительная скорость - больше второй наперед заданной величины, формируют сигнал «Помпаж», прекращают подачу топлива в камеру сгорания  на наперед заданное время, определяемое для каждого ГТД экспериментально в процессе приемосдаточных испытаний, открывают КПВЗ из-за промежуточных ступеней компрессора и из-за компрессора.
В предлагаемом изобретении, в отличие от прототипа, дополнительно на всех режимах работы ГТД от минимального до максимального измеряют частоту вращения ротора свободной турбины Nст, а также температуру газов за турбиной Тт газогенератора и частоту вращения ротора Nгг газогенератора, вычисляют скорости изменения этих параметров, при закрытых КПВЗ сравнивают скорость изменения температуры газов за турбиной  с первой наперед заданной величиной, скорость изменения частоты вращения ротора  газогенератора со второй наперед заданной величиной, если скорость изменения температуры газов за турбиной  больше первой наперед заданной величины и скорость изменения частоты вращения ротора  газогенератора меньше второй наперед заданной величины, а в случае открытых КПВЗ дополнительно сравнивают скорость изменения частоты вращения ротора свободной турбины  с третьей наперед заданной величиной, и если скорость изменения температуры газов за турбиной  больше первой наперед заданной величины, а скорость изменения частоты вращения ротора  газогенератора меньше второй наперед заданной величины и скорость изменения частоты вращения ротора свободной турбины  меньше третьей наперед заданной величины, то формируют сигнал «Помпаж параметрический», а при одновременном формировании сигнала «Помпаж» и сигнала «Помпаж параметрический» формируют сигнал «Аварийный останов ГТД» и выполняют аварийный останов ГТД, для чего одновременно с сигналом «Аварийный останов ГТД» выдают команды  на открытие КПВ компрессора, КПГ, КПВЗ и снижают расход топлива в камеру сгорания,  далее через 0,1 с после формирования сигнала «Аварийный останов ГТД» выдают команду на открытие первой ЗПВ компрессора, через 0,3 с после формирования сигнала «Аварийный останов ГТД» выдают команду на открытие второй ЗПВ компрессора, через 0,5 с после формирования сигнала «Аварийный останов ГТД» выдают команду на закрытие стопорного клапана.
Предлагаемый способ защиты газотурбинного двигателя от помпажа позволяет реализовать систему автоматического управления, используя замеры и исполнительные механизмы для выполнения останова ГТД своевременно и безопасно, сохранить работоспособность и ресурс газотурбинного двигателя, повысить его надежность при возникновении помпажа.
На фиг.1 представлена блок-схема газотурбинного двигателя. Узлы газотурбинного двигателя показаны схематично: газогенератор 1, компрессор 2, камера сгорания 3, ротор газогенератора 4, турбина 5, свободная турбина 6, ротор свободной турбины 7.
Способ защиты газотурбинного двигателя от помпажа осуществляется следующим образом. При осуществлении способа измеряют температуру газов Тт за турбиной 5 газогенератора 1, сравнивают ее значение с заданным, если измеренная температура газов превысила заданное значение, уменьшают расход топлива в камеру сгорания (КС) 3 ГТД до тех пор, пока измеренная температура газов не станет меньше заданного значения, на всех режимах работы ГТД от минимального (минимальный режим работы ГТД – это режим, ниже которого нельзя снижаться после окончания запуска)  до максимального (максимальный  режим работы – это режим, выше которого нельзя подниматься по ограничительным параметрам) измеряют давление Рк воздуха за компрессором 2, вычисляют относительное изменение и относительную скорость изменения давления воздуха за компрессором 2, сравнивают относительное изменение давления с первой наперед заданной величиной, определяемой для каждого типа ГТД экспериментально, а относительную скорость - со второй наперед заданной величиной, определяемой для каждого типа ГТД экспериментально, если относительное изменение давления больше первой наперед заданной величины, а относительная скорость - больше второй наперед заданной величины, формируют сигнал «Помпаж», прекращают подачу топлива в КС на наперед заданное время, определяемое для каждого ГТД экспериментально в процессе приемосдаточных испытаний, открывают КПВЗ из-за промежуточных ступеней компрессора и из-за компрессора 2.
Дополнительно на всех режимах работы ГТД от минимального до максимального измеряют частоту вращения ротора свободной турбины  Nст 7, а также температуру газов за турбиной Тт газогенератора и частоту вращения ротора Nгг 4 газогенератора 1, вычисляют скорости изменения этих параметров, при закрытых КПВЗ сравнивают скорость изменения температуры газов  за турбиной 5 с первой наперед заданной величиной, скорость изменения частоты вращения ротора  газогенератора 1 со второй наперед заданной величиной, если скорость изменения температуры газов за турбиной  больше первой наперед заданной величины и скорость изменения частоты вращения ротора  газогенератора меньше второй наперед заданной величины, а в случае открытых КПВЗ дополнительно сравнивают скорость изменения частоты вращения ротора 7 свободной турбины  с третьей наперед заданной величиной, и если скорость изменения температуры газов за турбиной  больше первой наперед заданной величины, а скорость изменения частоты вращения ротора  газогенератора 1 меньше второй наперед заданной величины и скорость изменения частоты вращения ротора 7 свободной турбины 6 меньше третьей наперед заданной величины, то формируют сигнал «Помпаж  параметрический», а при одновременном формировании сигнала «Помпаж» и сигнала «Помпаж параметрический» формируют сигнал «Аварийный останов ГТД» и выполняют аварийный останов ГТД, для чего одновременно с сигналом «Аварийный останов ГТД» выдают команды  на открытие клапана перепуска воздуха компрессора, клапана перепуска газа, клапана перепуска воздуха на запуске  и снижают расход топлива в камеру сгорания 3,  далее через 0,1 с после формирования сигнала «Аварийный останов ГТД» выдают команду на открытие первой заслонки перепуска воздуха компрессора, через 0,3 с после формирования сигнала «Аварийный останов ГТД» выдают команду на открытие второй заслонки перепуска воздуха компрессора, через 0,5 с после формирования сигнала «Аварийный останов ГТД» выдают команду на закрытие стопорного клапана.
Далее осуществляют управление ГТД в соответствии со штатными программами управления.
По заявляемому техническому решению успешно проведены  экспериментальные работы и в настоящее время способ реализован в системе управления газотурбинных установок наземного применения разных типов, например, в ГТЭ-25ПЭР мощностью 25 МВт.
В известном прототипе и разработках АО «ОДК-Авиадвигатель» применяют на режимах работы газотурбинных двигателей формирование сигнала «Помпаж» (или «Помпаж по Рк»), при одновременном наличии условий:
1) относительном падении давления за компрессором на величину, большую
2
где  - размах пульсационной составляющей давления воздуха (кгс/см);
2
- максимальное давление за каждый цикл колебания (кгс/см).
2) относительной скорости изменения давления
где Δτ - цикл расчета равный 0,02 сек.
В предлагаемом техническом  решении  на всех режимах работы ГТД сравнивают относительное изменение давления с первой наперед заданной величиной, определяемой для каждого типа ГТД экспериментально, а относительную скорость - со второй наперед заданной величиной, определяемой для каждого типа ГТД экспериментально, при формировании сигнала «Помпаж», прекращают подачу топлива в КС ГТД на наперед заданное время, определяемое для каждого ГТД экспериментально в процессе приемосдаточных испытаний.
Сигнал «Помпаж параметрический» формируют при одновременном наличии условий в течение 0,08с:
при закрытых КПВЗ:
1)  > + 100 градС/с и  < минус 500 об/мин/с;
2) при открытых КПВЗ:
> + 100 градС/с и  < минус 500 об/мин/с и  < минус 10 об/мин/с, где
- скорость изменения температуры газов за турбиной;
- скорость изменения частоты вращения ротора газогенератора;
- скорость изменения частоты вращения ротора свободной турбины.
При однократном формировании сигнала «Помпаж по Рк» («Помпаж»), где Рк - давление за компрессором, или сигнала «Помпаж параметрический» САУ формирует сигнал «Помпаж» или «Помпаж параметрический» в систему индикации на время наличия сигнала плюс 5 с. При одновременном формировании сигналов «Помпаж» и «Помпаж параметрический» формируют сигнал «Аварийный останов ГТД» и САУ выполняет аварийный останов. При останове по сигналу «Аварийный останов ГТД» при наличии сигналов «Помпаж» и «Помпаж параметрический» выполняется:
- одновременно с сигналом «Аварийный останов ГТД» производится выдача команд на открытие КПВ компрессора, КПГ, КПВЗ и снижение расхода топлива (топливного газа) с темпом от 6000 до 8000 кг/час/с;
- через 0,1 с после формирования сигнала «Аварийный останов ГТД» выдача команды на открытие первой ЗПВ компрессора;
- через 0,3 с после формирования сигнала «Аварийный останов ГТД» выдача команды на открытие второй ЗПВ компрессора;
- через 0,5 с после формирования сигнала «Аварийный останов ГТД» выдача команды на закрытие стопорного клапана.
Таким образом, предлагаемый способ защиты газотурбинного двигателя от помпажа с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками, позволяет сохранить работоспособность и ресурс газотурбинного двигателя, повысить его надежность при возникновении помпажа, выполнять останов двигателя своевременно и безопасно.