СПОСОБ КОНТРОЛЯ СТЕПЕНИ КОКСОВАНИЯ НА УРОВНЕ ПРОКЛАДОК ПРИ ПОМОЩИ ВАЛА ГАЗОГЕНЕРАТОРА
COKING DEGREE MONITORING METHOD AT THE GASKETS LEVEL USING THE GAS GENERATOR SHAFT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области контроля степени коксования на уровне динамических прокладок в газотурбинной силовой установке, и к области газотурбинных силовых установок, оснащенных системами, обеспечивающими такой контроль.
Уровень техники
Как показано на фиг. 1, некоторые газотурбинные силовые установки, такие как газотурбинные двигатели, содержат газогенератор 10, содержащий вращающийся вал 11, на котором установлено форсуночное кольцо 12, которое, таким образом, тоже является вращающимся.
Форсуночное кольцо содержит множество отверстий, которые выходят в камеру 30 сгорания. Таким образом, во время своего вращения форсуночное кольцо распыляет топливо в камере сгорания за счет центробежного эффекта.
Как показано на фиг. 1b, газотурбинный двигатель содержит также рампу 20 впрыска, которая является неподвижной кольцевой деталью, установленной вокруг вала 11 газогенератора 10.
Рампа впрыска доставляет топливо до форсуночного кольца. Топливо проходит во внутреннем канале 21 рампы впрыска и попадает сначала в полость 22, а затем в форсуночное кольцо.
Для обеспечения герметичности между форсуночным кольцом и рампой предусмотрено множество динамических прокладок, таких как лабиринтные прокладки 23.
Однако в пазах этих прокладок часто образуется кокс, что приводит к появлению трений между форсуночным кольцом и рампой впрыска. Трения могут усилиться и привести к полной блокировке вала газогенератора; в этом случае запуск двигателя становится невозможным.
В случае возникновения проблем запуска операторы осуществляют операции поиска неисправностей, описанные в инструкции по эксплуатации газотурбинного двигателя. Эти операции поиска, как правило, являются длительными и малоэффективными, так как иногда необходимо затратить много времени, чтобы обнаружить причину затрудненного запуска, в данном случае коксование на уровне динамических прокладок (действительно, причины могут быть самыми разными).
Кроме того, эти операции поиска предполагают непредвиденную остановку газотурбинного двигателя и, следовательно, летательного аппарата, на котором он установлен, что потребует аннулирования одного или нескольких запланированных полетов. Таким образом, эти операции являются очень затратными.
До сих пор не было предложено никакого альтернативного метода для предупреждения блокировки вала газогенератора по причине коксования на уровне динамических прокладок, который позволил бы избежать операций поиска неисправности.
Поэтому существует потребность в способе контроля степени коксования на уровне динамических прокладок.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение призвано решить вышеупомянутую проблему и предложить способ контроля степени коксования на уровне динамических прокладок газотурбинного двигателя.
В связи с этим объектом изобретения является способ контроля степени коксования на уровне динамических прокладок газотурбинного двигателя, содержащего:
- газогенератор, содержащий вращающийся вал и установленное на указанном валу форсуночное кольцо, при этом форсуночное кольцо выполнено с возможностью распыления топлива за счет центробежного эффекта,
- рампу впрыска, выполненную с возможностью доставки топлива до форсуночного кольца,
- динамические прокладки, выполненные с возможностью обеспечения герметичности между форсуночным кольцом и рампой впрыска,
при этом способ отличается тем, что содержит этапы, на которых:
- во время фазы авторотации газотурбинного двигателя измеряют скорость вращения вала газогенератора, и
- на основании изменения во времени измеряемой скорости вращения определяют степень коксования на уровне динамических прокладок.
Предпочтительно, но факультативно заявленный способ может иметь также по меньшей мере один из следующих отличительных признаков:
- этап определения степени коксования на уровне динамических прокладок включает в себя измерение замедления вала газогенератора между двумя скоростями вращения вала;
- измерение замедления осуществляют между первой скоростью вращения, составляющей от 1000 до 2500 оборотов в минуту, предпочтительно равной 1000 оборотов в минуту, и второй скоростью вращения, составляющей от 500 до 1000 оборотов в минуту, предпочтительно равной 700 оборотов в минуту;
- определение степени коксования на уровне динамических прокладок содержит один из следующих этапов:
сравнение замедления вала газогенератора с заранее определенным порогом;
определение разности между измеренным замедлением и первоначальным замедлением газотурбинного двигателя между одними и теми же скоростями вращения вала и сравнение разности с заранее определенным порогом;
определение, на основании предыдущих измерений замедления, скорости изменения указанного замедления в зависимости от использования газотурбинного двигателя и сравнение указанной скорости изменения с заранее определенным порогом;
- способ применяют в газотурбинном двигателе, содержащем также стартер, и осуществляют этапы, на которых:
во время фазы запуска вращения вала газогенератора стартером при запуске газотурбинного двигателя измеряют ток, проходящий через стартер, и напряжение на клеммах стартера;
на основании измеренных тока и напряжения определяют данную, характеризующую противодействующий момент вала газогенератора;
- этап определения степени коксования на уровне динамических прокладок осуществляют на основании изменения во времени скорости вращения вала газогенератора и значения или изменения данной, характеризующей противодействующий момент вала, в зависимости от использования газотурбинного двигателя.
Объектом изобретения является также система контроля состояния коксования на уровне динамических прокладок газотурбинного двигателя, содержащего:
- газогенератор, содержащий вращающийся вал и установленное на указанном валу форсуночное кольцо, при этом форсуночное кольцо выполнено с возможностью распыления топлива за счет центробежного эффекта,
- рампу впрыска, выполненную с возможностью доставки топлива до форсуночного кольца, и
- динамические прокладки, выполненные с возможностью обеспечения герметичности между форсуночным кольцом и рампой впрыска,
при этом система контроля выполнена с возможностью осуществления вышеупомянутого способа и содержит:
- по меньшей мере один датчик скорости вращения вала газогенератора, выполненный с возможностью осуществления измерений на частоте, превышающей или равной 2 Гц, и
- блок обработки, содержащий запоминающее устройство и средства обработки, выполненные с возможностью обработки измерений скорости вращения для определения степени коксования на уровне динамических прокладок.
Заявленная система контроля, когда она установлена в газотурбинном двигателе, содержащем также стартер, может дополнительно содержать по меньшей мере одно устройство измерения напряжения на клеммах стартера и проходящего через него тока, при этом указанное устройство измерения выполнено с возможностью осуществления измерений напряжения и тока на частоте, превышающей или равной 10 Гц.
Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий:
- газогенератор, содержащий вращающийся вал и установленное на указанном валу форсуночное кольцо, при этом форсуночное кольцо выполнено с возможностью распыления топлива за счет центробежного эффекта,
- рампу впрыска, выполненную с возможностью доставки топлива до форсуночного кольца, и
- динамические прокладки, выполненные с возможностью обеспечения герметичности между форсуночным кольцом и рампой впрыска,
при этом газотурбинный двигатель отличается тем, что дополнительно содержит вышеупомянутую систему контроля.
Предложенный способ контроля позволяет оценивать степень коксования на уровне динамических прокладок газотурбинного двигателя и обнаруживать критическую стадию, предшествующую невозможности запуска газотурбинного двигателя.
В случае необходимости, это позволяет планировать техническое обслуживание для очистки или замены динамических прокладок.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки, задачи и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве иллюстративного и не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1а и 1b (уже описаны) схематично иллюстрируют принцип работы газотурбинного двигателя, оснащенного форсуночным кольцом.
Фиг. 2а и 2b - основные этапы способа контроля согласно двум вариантам осуществления изобретения.
Фиг. 3а - продолжительность замедления вала газогенератора для разных степеней использования газотурбинного двигателя.
Фиг. 3b - изменение замедления вала газогенератора в зависимости от использования газотурбинного двигателя.
Фиг. 4 - изменение данной, характеризующей противодействующий момент вала газогенератора, в зависимости от использования газотурбинного двигателя.
Осуществление изобретения
На фиг. 2а и 2b представлены два варианта осуществления способа контроля коксования на уровне динамических прокладок газотурбинного двигателя.
Как показано на фиг. 1а, газотурбинная установка 1, которая может быть газотурбинным двигателем, содержит газогенератор 10, содержащий вращающийся вал 11, приводящий во вращение установленное на нем форсуночное кольцо 12.
Кроме того, газотурбинный двигатель содержит неподвижную рампу 20 впрыска, которая представляет собой тело вращения вокруг вала газогенератора. Рампа 20 впрыска содержит по меньшей мере один внутренний канал 21, который выходит в кольцевую полость 22.
Газотурбинный двигатель содержит также камеру 30 сгорания, в которой происходит воспламенение топлива для создания тяги летательного аппарата, на котором установлен газотурбинный двигатель.
Форсуночное кольцо 12 содержит два радиальных внутренних канала 13, которые сообщаются, с одной стороны, с кольцевой полостью 22 и, с другой стороны, с камерой 30 сгорания.
Топливо поступает через рампу впрыска в полость 22, где оно проходит в форсуночное кольцо 12 через сквозные отверстия выполненных в нем каналов 13. Затем топливо распыляется в камере сгорания за счет центробежного эффекта, возникающего в результате вращательного движения форсуночного кольца.
Для обеспечения герметичности между подвижным форсуночным кольцом 12 и неподвижной рампой 20 впрыска газотурбинный двигатель содержит множество динамических прокладок 23, предпочтительно типа лабиринтных прокладок.
Таким образом, топливо, присутствующее в полости 22, не проникает в другие сектора газотурбинного двигателя.
Газотурбинный двигатель содержит также стартер 40, который позволяет приводить во вращение вал газогенератора во время фазы запуска газотурбинного двигателя.
В частности, фаза запуска включает в себя первый период примерно около 4 секунд, в ходе которого камера сгорания не работает, и вал газогенератора приводится во вращение исключительно стартером. В дальнейшем эта фаза будет называться «фазой запуска вращения вала газогенератора».
Затем фаза запуска содержит второй период, в ходе которого происходит воспламенение в камере сгорания и вал газогенератора ускоряется под одновременным действием стартера и тепловой мощности газотурбинного двигателя.
Наконец, газотурбинный двигатель содержит систему 50 контроля степени коксования на уровне динамических прокладок.
Эта система содержит блок 51 обработки, который соединен с один или несколькими датчиками и выполнен с возможностью сбора измерений датчиков и их обработки, как будет описано ниже, для определения на их основании степени коксования на уровне динамических прокладок.
Блок 51 обработки может быть встроен в газотурбинный двигатель или в альтернативном варианте может быть установлен отдельно от него, например, в летательном аппарате или в наземном пункте контроля. В случае необходимости, передачу данных между датчиком или датчиками и блоком обработки можно осуществлять во время использования газотурбинного двигателя при помощи беспроводной связи или периодически во время фазы остановки газотурбинного двигателя, собирая данные от датчиков и загружая их в блок обработки.
Предпочтительно блок обработки содержит запоминающее устройство 52, позволяющее сохранять измерения, выполненные во время предыдущего использования газотурбинного двигателя, и средства обработки данных, такие как процессор 53.
Согласно первому варианту выполнения, соответствующему способу, представленному на фиг. 2а, система контроля содержит датчик 54 скорости вала газогенератора, выполненный с возможностью измерения указанной скорости на частоте, превышающей или равной 1 Гц, предпочтительно превышающей или равной 2 Гц.
Согласно второму варианту выполнения, соответствующему способу, представленному на фиг. 2b, система 50 контроля содержит устройство 55 измерения напряжения на клеммах стартера 40 и проходящего через него тока, которое выполнено с возможностью получения этих данных на частоте, превышающей или равной 2 Гц, предпочтительно превышающей или равной 10 Гц.
Оба показателя, используемые для контроля степени коксования на уровне прокладок, можно комбинировать для подтверждения результатов, при этом система контроля предпочтительно содержит одновременно датчик 54 скорости вращения вала и устройство 55 измерения напряжения на клеммах стартера и проходящего через него тока.
Система контроля может также содержать другие датчики, позволяющие направлять дополнительную информацию в блок обработки, чтобы на ее основании более точно определять степень коксования на уровне прокладок.
Контроль степени коксования на уровне динамических прокладок при помощи скорости вращения вала газогенератора.
Далее со ссылками на фиг. 2а следует описание первого варианта осуществления способа 1000 контроля коксования на уровне динамических прокладок газотурбинного двигателя 1.
Этот способ использует первый показатель, которым является замедление вращения вала газогенератора во время фазы авторотации вала. Авторотация происходит во время фазы остановки газотурбинного двигателя, когда вал газогенератора продолжает свое вращение только за счет своей инерции и не приводится во вращение другим элементом.
Во время этого этапа скорость вращения вала газогенератора снижается, но замедление может быть более или менее значительным в зависимости от степени коксования на уровне динамических прокладок. Действительно, чем больше «закоксованы» динамические прокладки, тем сильнее трения между рампой впрыска и форсуночным кольцом, которые тормозят относительное вращательное движение между этими двумя элементами.
Следовательно, в случае сильного коксования замедление будет более сильным.
Кроме того, это влияние трений на торможение является пропорционально более значительным в режиме малого газа, чем другие факторы, влияющие на торможение, такие как аэродинамические трения, которые зависят от скорости вращения и, следовательно, являются пропорционально менее значительными в режиме малого газа.
Следовательно, изучение замедления вала 11 в режиме малого газа позволяет сделать вывод о степени коксования на уровне динамических прокладок.
Таким образом, способ содержит этап 1100 измерения скорости вращения вала газогенератора газотурбинного двигателя при помощи датчика 54 во время фазы авторотации вала.
На фиг. 3 показано замедление вала газогенератора между скоростью вращения 3000 об/мин и скоростью вращения 600 об/мин для разных использований газотурбинного двигателя, при этом первое измерение и последнее измерение разделены промежутком примерно в 250 использований.
Крутизна кривой скорости вращения больше по абсолютной величине для последнего использования, при котором количество кокса в динамических прокладках больше.
Затем, как показано на фиг. 2а, способ содержит этап 1200 определения, на основании изменения во времени измеряемой скорости вращения, степени коксования на уровне динамических прокладок.
Действительно, поскольку скорость вращения была измерена на частоте, превышающей 1 или 2 Гц во время фазы замедления вала, можно определить крутизну ее снижения, то есть замедление вала между двумя определенными значениями скорости.
Как было указано выше, явления трения, появляющиеся в результате коксования, больше проявляются в режиме малого газа. Следовательно, значения скоростей, между которыми вычисляют замедление, включают в себя первую скорость, составляющую от 1000 до 25000 оборотов в минуту, предпочтительно равную 1000 оборотов в минуту, и вторую скорость вращения, составляющую от 500 до 1000 оборотов в минуту, предпочтительно равную 700 оборотов в минуту.
Таким образом, блок обработки вычисляет крутизну между этими двумя скоростями во время этапа 1210. Затем во время этапа 1220 он может определить степень коксования на уровне динамических прокладок разными способами.
Согласно первому варианту осуществления, во время этапа 1221 блок обработки сравнивает крутизну кривой скорости вращения с одним или несколькими заранее определенными порогами, соответствующими одной или нескольким определенным степеням коксования: например, степень коксования может соответствовать числу использований газотурбинного двигателя до того, как газогенератор будет заблокирован.
Порог можно установить в зависимости от большого числа параметров, зависящих от газотурбинного двигателя и от условий его использования.
Согласно второму варианту осуществления, во время этапа 1222 блок обработки сравнивает значение крутизны с первоначальным значением, определенным точно так же во время первого использования или первого ввода в эксплуатацию газотурбинного двигателя. Блок обработки может вычислить разность между двумя значениям крутизны и сравнить эту разность с заранее определенным порогом, чтобы вывести на ее основании, как и в предыдущем варианте, степень коксования на уровне прокладок.
Наконец, согласно третьему варианту осуществления, во время этапа 1223 блок обработки использует данные замедления, вычисленные в идентичных условиях и сохраненные в запоминающем устройстве 52, и определяет скорость изменения указанного замедления в зависимости от использования газотурбинного двигателя, например, в зависимости от числа использований газотурбинного двигателя (от числа запусков).
На фиг. 3b показано изменение, в зависимости от использования газотурбинного двигателя, среднего значения замедления между 3000 и 1000 об/мин. Отмечается, что крутизна кривой этого изменения тоже стремится к увеличению, то есть замедление увеличивается все больше по мере увеличения степени коксования на уровне прокладок.
Следовательно, этап 1223 включает в себя измерение скорости изменения вычисляемого замедления в зависимости от использования газотурбинного двигателя и сравнение этой скорости изменения с заранее определенным порогом.
Контроль степени коксования на уровне динамических прокладок при помощи тока, потребляемого стартером, и напряжения на его клеммах
На фиг. 2b представлен другой вариант осуществления способа 1000 контроля степени коксования на уровне динамических прокладок.
В этом варианте осуществления первый этап 1500 включает в себя измерение тока, потребляемого стартером, и напряжения на его клеммах во время фазы начала вращения вала газогенератора при запуске стартером газотурбинного двигателя.
Действительно, во время этого этапа стартер можно рассматривать как двигатель постоянного тока и можно считать, что крутящий момент электрического двигателя пропорционален току, потребляемому двигателем, и что скорость вращения электрического двигателя пропорциональна напряжению двигателя.
Таким образом, получаем следующие уравнения:
где
m
- Tq - крутящий момент электрического двигателя,
1
- K - константа,
m
- I - ток, потребляемый электрическим двигателем,
s
- ω - скорость вращения стартера.
Крутящий момент электрического двигателя компенсирует противодействующий момент вала газогенератора, увеличивая при этом скорость его вращения.
где
r
- Tq является противодействующим моментом вала газогенератора на валу стартера,
- J - инерция нагрузки на валу стартера, и
s
-  - временная производная ω, то есть ускорение вала стартера.
Увеличение противодействующего момента можно рассматривать через изменение тока и напряжения на клеммах электрического двигателя, то есть стартера.
Данную, характеризующую противодействующий момент вала газогенератора, который является однородным при одном токе, можно вычислить следующим образом:
где
r
m
m
- imageTq - данная, характеризующая противодействующий момент вала газогенератора, полученная на основании тока I, потребляемого стартером, и напряжения V на его клеммах,
m
- I - среднее значение тока, потребляемого электрическим двигателем во время фазы запуска стартером вращения вала газогенератора,
r
- а - константа, определенная таким образом, что imageTq = offset для первой точки измерения, то есть первоначальный противодействующий момент можно считать ничтожным,
- offset является константой, используемой для получения всегда положительного значения крутящего момента, несмотря на разброс.
r
Таким образом, за этапом измерения тока и напряжения на клеммах стартера следует этап 1600 определения, на основании этих измерений, степени коксования на уровне динамических прокладок с вычислением при помощи вышеуказанных уравнений данной imageTq, характеризующей противодействующий момент вала газогенератора.
Измерения тока и напряжения осуществляют при помощи измерительного устройства 55, частота измерения которого предпочтительно превышает 10 Гц.
Вывод о состоянии коксования на уровне динамических прокладок 1620 можно получать разными способами.
r
Согласно первому варианту осуществления 1621, значение данной imageTq, которое, в случае необходимости, может быть ее средним значением за период начала вращения, можно сравнить с одним или несколькими заранее определенными порогами, соответствующими одной или нескольким определенным степеням коксования; например, степень коксования может соответствовать числу использований газотурбинного двигателя до того, как газогенератор будет заблокирован.
Согласно альтернативному варианту осуществления 1622, блок обработки сравнивает значение данной, характеризующей момент, с первоначальным значением, определенным во время первого использования или во время первого ввода в эксплуатацию газотурбинного двигателя. Блок обработки может вычислить разность между двумя значениями и сравнить эту разность с заранее определенным порогом, чтобы вывести на ее основании, как в предыдущем случае, степень коксования на уровне прокладок.
r
Наконец, согласно третьему варианту осуществления, во время этапа 1623 блок обработки собирает данные imageTq, регулярно вычисляемые в идентичных условиях и сохраняемые в запоминающем устройстве 52, и определяет скорость изменения указанной данной в зависимости от числа использований газотурбинного двигателя.
На фиг. 4 показано изменение, в зависимости от использования газотурбинного двигателя, значения характеристики imageTqr противодействующего момента вала газогенератора. Отмечается, что крутизна кривой этого изменения тоже стремится к увеличению, то есть противодействующий момент вала увеличивается все больше по мере увеличения степени коксования на уровне прокладок.
r
Следовательно, этап 1623 включает в себя измерение скорости изменения характеристики imageTq в зависимости от использования газотурбинного двигателя и сравнение этой скорости изменения с заранее определенным порогом.
Использование нескольких показателей для контроля коксования
Оба вышеуказанных показателя можно использовать одновременно для подтверждения или уточнения информации о степени коксования на уровне динамических прокладок.
Поскольку показатель замедления вала газогенератора измеряют во время фазы остановки газотурбинного двигателя, тогда как показатель противодействующего момента вала измеряют во время фазы запуска, то предпочтительно полученные результаты сравнивают после остановки газотурбинного двигателя.
При этом блок обработки сравнивает полученные результаты и выдает конечное указание о степени коксования на уровне прокладок.
Кроме того, в зависимости от степени коксования, определенной при помощи одного из вышеуказанных способов, может срабатывать тревожная сигнализация для предупреждения о необходимости технического обслуживания газотурбинного двигателя.