RU2454557C2

RU2454557C2 - Method of control over gas turbine unit

Info

Publication number: RU2454557C2
Application number: RU2010139083/06A
Authority: RU
Inventors: Валерий Владимирович Бурдин (RU); Валерий Владимирович Бурдин; Виктор Александрович Гладких (RU); Виктор Александрович Гладких
Original assignee: Закрытое Акционерное Общество Научно-Производственная Фирма "Газ-Система-Сервис"
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2010-09-22
Publication date: 2012-06-27
Also published as: RU2010139083A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: proposed method comprises comparing mismatch between preset and measured positions of turbine distributor. In case mismatch exceeds first preset magnitude, warning signal ''DISTRIBUTOR FAILURE'' is generated for operator, gas turbine unit is decelerated and shut down. In case mismatch is smaller than second preset magnitude alarm signal ''EMERGENCY SHUTDOWN'' is generated irrespective of operating conditions of gas turbine to shut it down.

EFFECT: higher reliability.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических системах (САУ) автоматического управления газотурбинными установками (ГТУ) различного назначения.The invention relates to the field of gas turbine engine building and can be used in electronic hydromechanical systems (ACS) for automatic control of gas turbine units (GTU) for various purposes.

Известен способ управления ГТУ, заключающийся в том, что по измеренной частоте вращения ротора двигателя по известной зависимости формируют заданное положение лопаток входного направляющего аппарата (ВНА) компрессора двигателя, в соответствии с ним до заданной частоты вращения удерживают лопатки ВНА в положении «закрыто», после выхода двигателя на режимы, где частота вращения выше заданной, устанавливают лопатки ВНА в положении «открыто», Черкасов Б.А. «Автоматика и регулирование ВРД», М., «Машиностроение», 1965 г., с.22-23.There is a known method of controlling a gas turbine, which consists in the fact that, according to a known dependence, a predetermined position of the blades of the input guide vane of the engine compressor is formed according to a known dependence, in accordance with it, the blades of the VNA are kept in the closed position after a predetermined speed; engine output to modes where the rotation speed is higher than the set, set the VNA blades in the "open" position, B. Cherkasov "Automation and regulation of the WFD", Moscow, "Engineering", 1965, p.22-23.

Недостатком известного способа является его низкая эффективность с точки зрения обеспечения требуемых запасов газодинамической устойчивости (ГДУ) компрессора и, как следствие, невозможность использования для управления современными ГТУ, созданными на базе авиационных турбореактивных двигателей, с высокой степенью двухконтурности (ТРДД), такими, например, как ГТУ-25 разработки ОАО «Авиадвигатель», г.Пермь, выполненной на базе авиационного двигателя ПС-90А2.The disadvantage of this method is its low efficiency from the point of view of ensuring the required reserves of gas-dynamic stability (GDU) of the compressor and, as a consequence, the inability to use modern gas turbine engines created on the basis of aircraft turbojet engines with a high bypass ratio, for example, as GTU-25 developed by JSC Aviadvigatel, Perm, made on the basis of the aircraft engine PS-90A2.

Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности является способ управления ГТУ, заключающийся в том, что по измеренной частоте вращения ротора двигателя и температуре воздуха на входе в двигатель формируют значение приведенной частоты вращения ротора двигателя, по ней по известной зависимости формируют заданное положение лопаток направляющего аппарата (НА) компрессора двигателя, сравнивают его с измеренным положение лопаток НА, по величине рассогласования между заданным и измеренным положениями НА формируют управляющее воздействие на привод лопаток НА, Бодлер В.А., Рязанов Ю.А, Шаймарданов Ф.А. «Системы автоматического управления двигателями летательных аппаратов», М., «Машиностроение», 1973, с.181, рис.4, 6.Closest to this invention, in technical essence, is a gas turbine control method, which consists in the fact that the measured rotational speed of the rotor of the engine is formed from the measured rotor speed of the engine and the air temperature at the engine inlet, and the predetermined position of the vanes of the guide vanes is formed from it according to a known dependence (ON) of the engine compressor, compare it with the measured position of the blades of the HA, according to the size of the mismatch between the set and measured positions of the HA form the control its effect on the blade drive NA, Bodler V.A., Ryazanov Yu.A., Shaimardanov F.A. "Systems of automatic control of aircraft engines", M., "Mechanical Engineering", 1973, p.181, Fig. 4, 6.

Недостатком этого способа является следующее.The disadvantage of this method is the following.

При отказе САУ, приводящем к неуправляемости лопаток НА (например, при отказе электрогидропреобразователя, преобразующего электрический сигнал в гидравлическую команду на перекладку гидроцилиндров привода лопаток НА), нарушается соответствие между располагаемым расходом топлива в камеру сгорания (КС) двигателя и требуемым расходом воздуха через газовоздушный тракт двигателя.If the self-propelled guns fail, leading to the uncontrollability of the HA blades (for example, when the electrohydroconverter fails, converting the electrical signal into a hydraulic command to transfer the hydraulic cylinders of the drive of the blades of the HA), the correspondence between the available fuel flow into the combustion chamber (CS) of the engine and the required air flow through the gas-air duct is violated engine.

Это может привести к забросу параметров газогенератора (например, температуры газов перед турбиной) или к потере газодинамической устойчивости компрессора ГТУ - помпажу, т.е. к работе ГТУ на нерасчетных режимах газогенератора, что чревато возможностью повреждения элементов проточной части двигателя с последующим выходом ГТУ из строя.This can lead to the overthrow of the gas generator parameters (for example, the gas temperature in front of the turbine) or to the loss of gas-dynamic stability of the gas turbine compressor - surging, i.e. to the operation of the gas turbine at off-design modes of the gas generator, which is fraught with the possibility of damage to the elements of the flowing part of the engine with the subsequent failure of the gas turbine.

Это, в свою очередь, приводит к снижению надежности работы ГТУ и, как следствие, снижению безопасности работы газоперекачивающего агрегата (ГТЭС), газотурбинной энергоустановки (ГТЭС) или силовой установки морского судна с газотурбинной силовой установкой - в зависимости от того, где применяется ГТУ в качестве силового привода.This, in turn, leads to a decrease in the reliability of GTU operation and, as a consequence, to a decrease in the safety of the gas pumping unit (GTES), gas turbine power plant (GTES) or the power plant of an offshore vessel with a gas turbine power plant - depending on where GTU is used in as a power drive.

Целью изобретения является повышение качества работы САУ и, как следствие, повышение надежности ГТУ и безопасности ГПА, ГТЭС, газотурбохода.The aim of the invention is to improve the quality of work of self-propelled guns and, as a result, increase the reliability of gas turbines and the safety of gas compressor units, gas turbine power plants, gas turbine passage.

Поставленная цель достигается тем, что в способе управления ГТУ, заключающемся в том, что по измеренной частоте вращения ротора двигателя и температуре воздуха на входе в двигатель формируют значение приведенной частоты вращения ротора двигателя, по ней по известной зависимости формируют заданное положение лопаток НА компрессора двигателя, сравнивают его с измеренным положением лопаток НА, по величине рассогласования между заданным и измеренным положениями НА формируют управляющее воздействие на привод лопаток НА, дополнительно на работающем двигателе сравнивают рассогласование между заданным и измеренным положениями НА с первой и второй наперед заданными величинами, определяемыми расчетно-экспериментальным путем, если рассогласование становится больше первой наперед заданной величины, формируют предупредительную сигнализацию оператору «Неисправность НА» и выполняют снижение режима работы ГТУ до минимального и последующий нормальный останов ГТУ, если рассогласование становится меньше второй наперед заданной величины, формируют аварийную сигнализацию оператору «Экстренный останов» и независимо от режима работы ГТУ выполняют экстренный останов ГТУ.This goal is achieved by the fact that in the control method of the gas turbine, which consists in the fact that the measured rotational speed of the engine rotor and the air temperature at the inlet of the engine form the value of the reduced rotational speed of the engine rotor, according to a known dependence, they form the specified position of the blades of the engine compressor, compare it with the measured position of the HA blades, according to the size of the mismatch between the set and measured positions of the HA form a control action on the drive of the HA blades, additionally on p a malfunctioning engine compares the mismatch between the set and measured ON positions with the first and second predetermined values determined by the calculation and experimental method, if the mismatch becomes greater than the first forward set value, a warning signal is generated to the operator "Malfunction ON" and the GTU operating mode is reduced to the minimum and subsequent normal shutdown of the gas turbine, if the mismatch becomes less than the second predetermined value, an alarm is generated for the operas torus "Emergency Stop" and regardless of the mode of operation of GTU GTU perform emergency stop.

Устройство содержит последовательно соединенные первый блок 1 датчиков (БД), блок 2 управления двигателем (БУД), блок 3 управления дозирующим агрегатом (БУШДГ), дозирующий агрегат 4 (ДГ), стопорный клапан 5 (СКВ), причем ДГ 4 подключен к БД 1, а СКВ 5 - к БУД 2, к БУД 2 подключен пульт 6 управления ГТУ (ПУ), агрегат 7 исполнительных клапанов (АИК), вход которого подключен к выходу БУД 2.The device contains a series-connected first block of sensors 1 (DB), engine control unit 2 (ECU), dosing unit control unit 3 (BUSHDG), dosing unit 4 (DG), check valve 5 (SCR), and DG 4 is connected to OBD 1 and SLE 5 - to the ECU 2, the ECU 2 is connected to the gas turbine control unit 6 (ПУ), the unit 7 of the executive valves (AIC), the input of which is connected to the output of the ECU 2.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Оператор, управляющий ГТУ, с помощью ПУ 6 задает режим работы ГТУ: запуск, холостой ход, номинальный режим, максимальный режим, перегрузочный режим.The operator controlling the gas turbine, using the control unit 6, sets the operation mode of the gas turbine: start, idle, nominal mode, maximum mode, overload mode.

Команда оператора от ПУ 6 по цифровому каналу связи (например, RS 485 или Ethernet) передается в БУД 2. БУД 2 в соответствии с полученной от ПУ 6 командой по сигналам датчиков из БД 1 по известным зависимостям (см., например, книгу Кеба И.В. «Летная эксплуатация вертолетных ГТД», М., «Транспорт», 1976 г., с.117-135) вычисляет потребный расход топлива в КС ГТУ и с помощью БУШДГ 3 и ДГ 4 поддерживает режим работы ГТУ, изменяя расход топлива в КС ГТУ.The operator’s command from the control unit 6 via a digital communication channel (for example, RS 485 or Ethernet) is transmitted to the control unit 2. The control unit 2 in accordance with the command received from the control unit 6 according to the signals of the sensors from the database 1 according to known dependencies (see, for example, the book by Keb And .V. “Flight operation of helicopter gas turbine engines”, Moscow, “Transport”, 1976, pp. 117-135) calculates the required fuel consumption in the gas turbine compressor station and, using BUSHDG 3 and diesel engine 4, maintains the gas turbine engine operating mode by changing the fuel consumption in the KS GTU.

В частности, в БУД 2 с помощью БД 1 измеряют частоту вращения силовой турбины, сравнивают заданное и измеренное значения частоты вращения силовой турбины, в зависимости от рассогласования между заданным и измеренным значениями частоты вращения силовой турбины управляют расходом топлива в КС ГТУ.In particular, in the ECU 2, using the OBD 1, the speed of the power turbine is measured, the set and measured values of the speed of the power turbine are compared, depending on the mismatch between the set and measured values of the speed of the power turbine, the fuel consumption in the compressor station of the gas turbine is controlled.

При работе ГТУ СКВ 5 находится в положении «Открыт».During operation of the gas turbine SLE 5 is in the “Open” position.

Дополнительно на всех режимах работы ГТУ от минимального до максимального в БУД 2 с помощью БД 1 измеряют температуру (Т_вх) воздуха на входе в двигатель и частоту вращения ротора двигателя (n), по измеренным значениям формируют приведенную частоту (nпр) вращения ротора двигателя.In addition, at all GTU operating modes from minimum to maximum, in the ECU 2, the air temperature (T _in ) of the air at the engine inlet and the engine rotor speed (n) are measured using the OBD 1, and the reduced rotor frequency (npr) of the engine rotor is formed from the measured values.

Далее по приведенной частоте (nпр) вращения ротора двигателя в БУД 2 по известной зависимости формируют заданное положение НА (α на зад.) для данного режима работы двигателя. Примеры такой зависимости приведены, например, в книге Кеба И.В. «Летная эксплуатация вертолетных ГТД», М., «Транспорт», 1976 г., с.30-47.Further, according to the reduced frequency (npr) of the rotation of the engine rotor in the ECU 2, according to a known dependence, the set position of the ON (α at the rear) is formed for this engine operation mode. Examples of such a dependence are given, for example, in the book of I. Keba. “Flight Operation of Helicopter GTEs”, Moscow, “Transport”, 1976, p.30-47.

Величину α на зад. в БУД 2 сравнивают с измеренным в БД 1 положением НА и по величине рассогласования между заданным и измеренным значениями формируют управляющее воздействие БУД 2 и осуществляют управление НА с помощью АИК 7.The value of α on the back. in the ECU 2 is compared with the position of the ON measured in the DB 1 and the control action of the ECU 2 is formed by the size of the mismatch between the set and the measured values and the control of the AC is performed using AIC 7.

При исправной САУ фактическое положение НА отличается от заданного практически только на динамических режимах: т.к. величина α на зад. определяется по приведенной частотой вращения ротора ГТУ, которая изменяется плавно, то величина рассогласования в динамически отлаженной системе определяется в определяющей степени транспортным запаздыванием в цепи управления НА.With a good self-propelled guns, the actual position of the aircraft differs from the set practically only in dynamic modes: the value of α on the back. is determined by the reduced rotational speed of the GTU rotor, which changes smoothly, then the mismatch in a dynamically debugged system is determined to a certain extent by the transport delay in the control circuit of the ON.

Поэтому в БУД 2 дополнительно на работающем двигателе сравнивают рассогласование между заданным и измеренным положениями НА с первой и второй наперед заданными величинами, определяемыми расчетно-экспериментальным путем. Если рассогласование становится больше первой наперед заданной величины (для ГТУ-25 разработки ОАО «Авиадвигатель» эта величина составляет 20 градусов), в БУД 2 формируют выдаваемую на экран монитора оператора ПУ 6 предупредительную сигнализацию оператору «Неисправность НА», и по командам БУД 2 с помощью БУШДГ 3 и ДГ 4 выполняют снижение режима работы ГТУ до минимального, после этого по команде БУД 2 с помощью СКВ 5 выполняют нормальный останов ГТУ. Если рассогласование становится меньше второй наперед заданной величины (для ГТУ-25 эта величина составляет минус 7 градусов), в БУД 2 формируют выдаваемую на экран монитора оператора ПУ 6 аварийную сигнализацию оператору «Экстренный останов» и независимо от режима работы ГТУ по команде БУД 2 с помощью СКВ 5 выполняют экстренный останов ГТУ.Therefore, in the ECU 2, in addition, on a running engine, the mismatch between the set and measured positions of the ON is compared with the first and second predetermined values determined by the experimental calculation. If the mismatch becomes greater than the first predetermined value (for GTU-25 developed by Aviadvigatel OJSC, this value is 20 degrees), in the ECU 2, a warning signal issued to the operator of the PU 6 operator is issued to the operator "Malfunction ON", and according to the ECU 2 s using BUSHDG 3 and DG 4, the GTU operation mode is reduced to the minimum, after which, by the command of the ECU 2, using the SCR 5, the GTU is stopped normally. If the mismatch becomes less than the second predetermined value (for GTU-25 this value is minus 7 degrees), in the ECU 2, an emergency alarm issued to the operator of the PU 6 operator is displayed on the monitor screen of the operator 6 and regardless of the operation mode of the gas turbine by the ECU command 2 s using SLE 5 perform an emergency stop GTU.

Таким образом, обеспечивается повышение качества работы САУ и, как следствие, повышение надежности ГТУ и безопасности ГПА, ГТЭС, газотурбохода.Thus, improving the quality of work of self-propelled guns and, as a result, improving the reliability of gas turbines and the safety of gas compressor units, gas turbine power plants, and gas turbine passage is provided.

Claims

Способ управления газотурбинной установкой, заключающийся в том, что по измеренной частоте вращения ротора двигателя и температуре воздуха на входе в двигатель формируют значение приведенной частоты вращения ротора двигателя, по ней по известной зависимости формируют заданное положение лопаток направляющего аппарата (НА) компрессора двигателя, сравнивают его с измеренным положение лопаток НА, по величине рассогласования между заданным и измеренным положениями НА формируют управляющее воздействие на привод лопаток НА, отличающийся тем, что дополнительно на работающем двигателе сравнивают рассогласование между заданным и измеренным положениями НА с первой и второй наперед заданными величинами, определяемыми расчетно-экспериментальным путем, если рассогласование становится больше первой наперед заданной величины, формируют предупредительную сигнализацию оператору «Неисправность НА» и выполняют снижение режима работы ГТУ до минимального и последующий нормальный останов ГТУ, если рассогласование становится меньше второй наперед заданной величины, формируют аварийную сигнализацию оператору «Экстренный останов» и независимо от режима работы ГТУ выполняют экстренный останов ГТУ. The method of controlling a gas turbine installation, which consists in the fact that the measured rotational speed of the rotor of the engine is formed from the measured rotor speed of the engine and the air temperature at the engine inlet, the predetermined position of the blades of the guide vane of the engine compressor is formed from it according to a known dependence, and it is compared with the measured position of the blades of the HA, the magnitude of the mismatch between the set and the measured positions of the HA form a control action on the drive of the blades of the HA, different t that, in addition, on a running engine, the mismatch between the set and measured positions of the ON with the first and second predetermined values determined by the calculation and experimental method is compared, if the mismatch becomes greater than the first in advance of the set value, a warning signal is generated to the operator "ON malfunction" and the mode is reduced the operation of the gas turbine to the minimum and the subsequent normal shutdown of the gas turbine, if the mismatch becomes less than the second predetermined value, form malarial signaling operator "Emergency Stop" and regardless of the mode STU STU perform emergency stop.