СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ПОМПАЖА КОМПРЕССОРА
METHOD OF DIAGNOSTICS OF STALLING AND SURGING

Предлагаемое изобретение относится к способам диагностики помпажа и может быть использовано в области газотурбинного двигателестроения в системах автоматизированного управления авиационными газотурбинными двигателями для выявления и предупреждения помпажа компрессора.
Известен способ диагностики помпажа компрессора [патент США №4.083.235, апрель, 1978], при котором измеряют температуру газов перед турбиной и частоту вращения ротора компрессора. Поскольку при развитии срыва потока в компрессоре, как предвестника помпажа, 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.
Однако измерение температуры газов перед турбиной в большинстве современных авиационных газотурбинных двигателей не представляется возможным из-за высокой температуры газов. Недостатком способа также 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.
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 С1, опубл. 27.10.2005, бюл. №30], 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.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является исключение возможности получения ложных выводов о наличии помпажа компрессора авиационного газотурбинного двигателя. Предполагаемый технический результат достигается за счет использования для диагностики помпажа комплекса параметров, одновременное интенсивное изменение которых происходит только в случае помпажа, тогда как при изменении режима работы двигателя комплексного изменения этих параметров не происходит.
Поставленная задача решается тем, что способ диагностики помпажа компрессора включает измерение давления за компрессором и частоты вращения ротора компрессора, вычисление значения производной по времени давления за компрессором и сравнение ее с заданным пороговым значением с учетом знака.
Новым в заявляемом способе является то, что дополнительно измеряют температуру газов за турбиной, вычисляют значение отношения температуры газов за турбиной к частоте вращения ротора компрессора и сравнивают его с пороговым значением, вывод о наличии помпажа делают в случае одновременного превышения значениями производной по времени давления за компрессором и отношения температуры газов за турбиной к частоте вращения ротора компрессора своих пороговых значений.
На прилагаемых чертежах изображено:
фиг.1 - график изменения частоты вращения ротора компрессора;
фиг.2 - график изменения давления за компрессором;
фиг.3 - график изменения температуры газа за турбиной;
фиг.4 - график изменения производной давления за компрессором;
фиг.5 - график изменения отношения температуры газов за турбиной к частоте вращения ротора компрессора.
Заявляемый способ осуществляется следующим образом.
Измеряют давление за компрессором и частоту вращения ротора компрессора. Вычисляют значение производной по времени давления за компрессором. Сравнивают ее с пороговым значением. Измеряют температуру газов за турбиной. Вычисляют отношение температуры газов за турбиной к частоте вращения ротора компрессора. Сравнивают его с пороговым значением. Делают вывод о наличии развития помпажа в случае одновременного превышения величинами производной по времени давления за компрессором и отношения температуры газов за турбиной к частоте вращения ротора компрессора своих пороговых значений.
Пример конкретного выполнения способа.
k
ТК
В рассматриваемом примере работы реального газотурбинного двигателя с заданной периодичностью Δτ измеряют текущие значения параметров: давления за компрессором р (фиг.1), частоты вращения ротора n (фиг.2) и температуры газов за турбиной  (фиг.3). Регистрация осуществляется 13 раз в секунду, интервал измерения Δτ=0,077 с. На фиг.1-3 видно одновременное интенсивное изменение всех параметров на 0,5 с после начала измерений, что характерно для начала развития помпажа.
k
Далее определяют изменение давления Δp за время Δτ, вычисляют значения производной по времени давления за компрессором  (фиг.4) и отношение температуры газов за турбиной к частоте вращения ротора компрессора  (фиг.5). На графиках видно, что через 0,16 с после начала изменения всех параметров происходит превышение величинами производной по времени давления за компрессором  и отношения температуры газов за турбиной к частоте вращения ротора компрессора  заданных пороговых значений. На основании чего делается вывод о наличии помпажа компрессора.
-1
В приведенном примере пороговое значение производной изменения давления ±2,5 c, пороговое значение отношения температуры газов за турбиной к частоте вращения ротора компрессора определяется как +5%.
Пороговые значения  и  определяют и задают при наладке системы по результатам испытаний двигателя. При этом пороговое значение  может назначаться сравнительно невысоким, так как ложные сигналы о возникновении помпажа блокируются условием увеличения отношения , которое возникает раньше, чем разовьется помпаж компрессора.