СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ПОМПАЖА КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD OF CONTROL OVER GAS TURBINE ENGINE COMPRESSOR ACTUATORS

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано для надежного и своевременного диагностирования помпажа газотурбинного двигателя (ГТД), и позволяет устранить неустойчивый режим работы компрессора путем оперативного воздействия на различные системы регулирования двигателя. Способ диагностирования помпажа включает в себя измерение угловой скорости вращения ротора турбины, измерение давления воздуха на входе и выходе компрессора, измерение мгновенного расхода топлива и измерение цветовой температуры за камерой сгорания.
Известен способ диагностики помпажа компрессора [патент США №25178801, G01M 15/00, апрель, 1978], при котором измеряют температуру газов перед турбиной и частоту вращения ротора компрессора. Поскольку при развитии срыва потока в компрессоре возрастает температура газов перед турбиной и снижается частота вращения ротора, то вывод о развитии помпажа в компрессоре делают в случае превышения порогового значения отношения температуры газов перед турбиной к частоте вращения ротора.
Недостатком способа является то, что отношение температуры газов перед турбиной к частоте вращения ротора может превысить пороговое значение при изменении режима работы двигателя, например при дросселировании, на основании чего может быть сделан ложный вывод о наличии помпажа. Также к недостаткам можно отнести инерционность и уязвимость способа при отказе одного из датчиков.
Известен способ диагностики помпажа компрессора [Чигрин B.C. Конструкция турбовального газотурбинного двигателя Д-136. Харьков: ХВВАИУ, 1989. - 143 с.], при котором измеряют давление за компрессором, вычисляют величину изменения давления за компрессором ГТД, которая определяется как производная давления за компрессором по времени, и в случае превышения полученной величиной порогового значения делают вывод о развитии помпажа компрессора.
-1
Недостатком такого способа является то, что он позволяет устанавливать наличие помпажа уже при фактическом наступлении помпажного режима работы компрессора, так как пороговое значение назначают достаточно высоким (в приведенном примере оно составляет 8 с). Снижение порогового значения для более ранней диагностики помпажа может привести к получению ложных выводов о наличии помпажа при изменении режимов работы двигателя (например, при сбросе газа тоже происходит уменьшение давления за компрессором).
Также известен способ диагностики помпажа компрессора [патент РФ №2263234 C1, F04D 27/02, опубл. 27.10.2005], при котором измеряют давление на входе, давление за компрессором и частоту вращения ротора, определяют знаки и величину производных по времени от этих параметров, сравнивают каждую производную со своим пороговым значением. Вывод о наличии развития помпажа делают в случае превышения производными своих пороговых значений. Поскольку изменение параметров может происходить со сдвигом во времени, то при превышении порогового значения одной производной ожидают, когда значения остальных производных превысят свои пороговые значения, и только тогда делают вывод о наличии помпажа. Этот способ позволяет делать вывод о развитии помпажа уже во время первого помпажного колебания.
Однако при использовании этого способа для авиационного газотурбинного двигателя в случае изменения режима работы, например при сбросе газа, производные давления за компрессором и частоты вращения ротора также могут превысить свои пороговые значения. Третий параметр - давление на входе в компрессор, не является показательным, поскольку зависит не только от режима работы двигателя, но и от большого числа факторов, определяемых высотой и скоростью полета летательного аппарата. Следовательно, при использовании этого способа для авиационного газотурбинного двигателя также могут быть получены ложные выводы о наличии помпажа.
Наиболее близким к предполагаемому способу является способ [патент РФ №2187711, МПК F04D 27/02, опубл. 20.08.2002 / Иноземцев А.А. и др. Способ диагностики помпажа компрессора газотурбинного двигателя], заключающийся в измерении яркостной температуры поверхности роторной лопатки турбины и ее первых двух производных яркостным пирометром, сравнении температурных параметров с их пороговыми значениями, дополнительном измерении давления за компрессором и его первой производной, сравнении параметров давления с их пороговыми значениями и формированием сигнала о начале помпажа, при одновременном выходе первых производных яркостной температуры и давления за компрессором за их пороговые значения.
К недостаткам этого способа относятся инерциальность измерения температуры, связанная с временной задержкой нагрева поверхности роторной лопатки; возможность формирования ложного сигнала о начале помпажа при нестационарных режимах работы, например при переходе из номинального режима в режим «малого газа»; возможность формирования ложного сигнала о начале помпажа из-за отказа системы охлаждения рабочих поверхностей ГТД.
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в повышении надежности определения начала помпажа на всех режимах работы.
Техническим результатом данного изобретения является повышение достоверности определения начала помпажа на всех режимах работы.
Задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе диагностики помпажа компрессора газотурбинного двигателя, заключающемся в измерении температуры за камерой сгорания и вычислении ее первой производной, измерении давления воздуха в компрессоре и вычислении ее первой производной, сравнении производных измеряемых параметров с их пороговыми значениями и определении помпажа, при выходе нескольких производных за пороговые значения, в отличие от прототипа дополнительно измеряют разницу давления на выходе и входе компрессора двигателя и вычисляют ее первую производную, измеряют мгновенный расход топлива и вычисляют его первую производную, измеряют угловую скорость вращения ротора турбины двигателя и вычисляют ее первую производную, вычисляют пороговые значения первых производных температуры камеры сгорания, разницы давления на выходе и входе компрессора двигателя, угловой скорости вращения ротора турбины двигателя и путем сравнения первых производных температуры камеры сгорания, разницы давления на выходе и входе компрессора двигателя, угловой скорости вращения ротора турбины двигателя с их пороговыми значениями, производят мажоритарное голосование по которому судят о начале помпажа.
Отличительными признаками способа являются измерение первых производных температуры газа ∂Т/∂t, разницы давления на входе и выходе компрессора ∂ΔР/∂t, угловой скорости вращения вала ротора турбины ∂ω/∂t и сравнение их с их пороговыми значениями: [∂T/∂t], [∂ΔР/∂t], [∂ω/∂t] соответственно, функционально зависящими от мгновенного расхода топлива G. Во время начала помпажа первые производные этих параметров выйдут за пороговое значение. Для мажоритарного голосования используются условия выхода первых производных за их пороговые значения. (∂T/∂t>[∂T/∂t], ∂ΔР/∂t<[∂ΔР/∂t], ∂ω/∂t<[∂ω/∂t].) Для формирования сигнала о начале помпажа достаточно выхода за пороговые значения производных двух параметров. При отказе одного из датчиков информации от оставшихся достаточно для формирования сигнала начала помпажа, что повышает надежность способа. При ложном срабатывании одного из датчиков его информации недостаточно для формирования сигнала начала помпажа, что повышает достоверность сигнала способа. При росте мгновенного расхода топлива в безпомпажном состоянии ГТД характерны рост температуры газа Т, увеличение угловой скорости вращения ротора турбины ГТД ω и рост разницы давления на входе и выходе компрессора ΔР.
Существо изобретения поясняется на чертеже. На фиг. показано устройство, реализующее способ.
Пример конкретной реализации
Заявляемый способ реализуется устройством диагностики помпажа компрессора газотурбинного двигателя. Устройство содержит: датчик мгновенного расхода топлива 1, датчик давления на входе компрессора 2, датчик давления на выходе компрессора 3, датчик угловой скорости вращения ротора турбины ГТД 4, пирометр спектрального отношения 5, подключенные к микропроцессорной системе 6, связанной с противопомпажной система регулирования 7. Пирометр спектрального отношения 5 расположен таким образом, чтобы измерять температуру газа за камерой сгорания.
Согласно способу датчик мгновенного расхода топлива 1, датчики давления на выходе и входе компрессорам 2 и 3, датчик угловой скорости вращения ротора турбины 4 и пирометр спектрального отношения 5 передают результаты измерения микропроцессорной системе 6, которая вычисляет разницу давления на входе и выходе ΔР, первые производные измеряемых параметров ∂Т/∂t, ∂ΔР/∂t, ∂ω/∂t, ∂G/∂t. Исходя из знака производной мгновенного расхода топлива определяется текущий режим работы двигателя: рост расхода топлива, постоянный расход топлива и падение расхода топлива. При росте (падении) мгновенного расхода топлива в безпомпажных режимах работы двигателя, параметры Т, ΔР и ω соответственно растут (падают) и остаются неизменными при постоянном мгновенном расходе топлива. Возникновение помпажа определяется различным внешними факторами и не зависит от текущего расхода топлива, и сопровождается ростом температуры и снижением угловой скорости вращения ротора турбины и разницы давления на входе и выходе компрессора. Использование цветовой температуры газа в камере сгорания позволяет существенно уменьшить временную задержку измерения температуры за камерой сгорания в связи с практической безынерционностью газа, по сравнению с элементами конструкции ГТД. Использование разницы давления на входе и выходе компрессора является более показательным параметром, чем давление на выходе компрессора, так как позволяет учитывать атмосферное давление и избежать внесения дополнительных погрешностей, связанных с пороговыми значениями и атмосферным давлением. Пороговые значения [∂Т/∂t], [∂ΔР/∂t], [∂ω/∂t] зависят от высоты, скорости полета, мгновенного расхода топлива, геометрических характеристик двигателя и рассчитываются программно по функциональным зависимостям, полученными опытным путем. Для мажоритарного голосования используются условия выхода первых производных за их пороговые значения. (∂T/∂t>[∂T/∂t], ∂ΔP/∂t<[∂ΔP/∂t], ∂ω/∂t<[∂ω/∂t].) Для формирования сигнала о начале помпажа достаточно выхода за пороговые значения производных двух параметров.