Способ защиты двухконтурного турбореактивного двигателя от помпажа при эксплуатации

Изобретение относится к области эксплуатации газотурбинных двигателей, в частности к двигателям, применяемым в качестве привода газоперекачивающих агрегатов и энергоустановок.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является известный способ защиты двухконтурного турбореактивного двигателя при эксплуатации, в частности, от помпажа, включающий измерение исходных частот вращения ротора низкого давления n₁ и ротора высокого давления n₂ в начале эксплуатации, измерение давления и температуры газа на турбине, периодическое измерение частоты вращения роторов в процессе эксплуатации двигателя и остановку двигателя в зависимости от предельных отклонений давления и температуры на турбине от их предшествующих значений.

/RU №2168163, МПК7 G01M 15/00, опубл. 27.05.2001 г.)/

Однако этот способ не позволяет своевременно определить начало возникновения помпажа, что в условиях эксплуатации газотурбинного двигателя приводит к существенным разрушениям газовоздушного тракта двигателя.

Задачей изобретения является разработка способа эффективной защиты двигателя при работе от возникновения помпажа, включающего принятие превентивных мер по остановке газотурбинного двигателя до развития помпажа.

Ожидаемый технический результат - снижение повреждений и продление сроков эксплуатации двигателя путем эксплуатационных ограничений параметров на максимальном режиме работы.

Технический результат достигается тем, что в известном способе защиты двухконтурного турбореактивного двигателя при эксплуатации, в частности, от помпажа, включающем измерение исходных частот вращения ротора низкого давления n₁ и ротора высокого давления n₂ в начале эксплуатации, измерение давления и температуры на турбине, периодическое измерение частоты вращения роторов в процессе эксплуатации двигателя и остановку двигателя в зависимости от предельных отклонений давления и температуры на турбине от их предшествующих значений, согласно изобретению дополнительно периодически в каждый промежуток времени 0,01…0,1 с измеряют давление за компрессором высокого давления Р_к и при отклонении величины давления более 1-100% относительно измерения, предшествовавшего текущим значениям, при постоянном значении n₁, производят остановку двигателя. В соответствии с предложением с момента начала падения давления за компрессором Р_к предпочтительно давление измеряют в каждый промежуток времени, равный 0,02…0,05 с.

При эксплуатации турбореактивных двигателей при определенных условиях наблюдается срывной режим их работы, то есть нарушение газодинамической устойчивости работы, сопровождающейся хлопками, резким падением мощности и вибрацией, которая способна разрушить двигатель. Воздушный поток, обтекающий лопатки рабочего колеса, резко меняет направление, и внутри турбины возникают турбулентные завихрения, а давление на входе компрессора становится равным или большим, чем на его выходе (помпаж).

Помпаж может вызываться отклонениями в работе двигателя от расчетных режимов, в частности: разрушением и отрывом лопаток рабочего колеса (например, из-за старости), попаданием в двигатель постороннего предмета (снега, механического твердого фрагмента), сильным боковым ветром при запуске, низким давлением окружающего воздуха (в жаркую погоду в горах) и другими.

Работа двигателя в режиме помпажа быстро приводит к его разрушению из-за недопустимого повышения температуры газов перед турбиной и потери прочности ее лопаток, поэтому при его возникновении двигатель должен быть переведен в режим «малый газ» (на котором помпаж исчезнет сам собой) или отключен. Рост температуры газов может достигать нескольких сот градусов в секунду, и время принятия решения персоналом ограничено. На современных двигателях предусмотрена противопомпажная автоматика, обеспечивающая автоматическое, без участия персонала устранение помпажа путем обнаружения помпажных явлений через измерение давления и пульсаций давления на разных участках газовоздушного тракта и кратковременного (на доли секунды) снижения или прерывания подачи топлива, открытия перепускных заслонок и клапанов, включения аппаратуры зажигания двигателя, восстановления подачи топлива и восстановления режима работы двигателя.

В изобретении предлагается дополнительно периодически в каждый, определенный экспериментально, промежуток времени в интервале 0,01…0,1 с измерять давление за компрессором высокого давления Р_к. Если при измерении давления отклонения относительно его текущих значений превысят величину более 1% (100%), то это указывает на начало возникновения помпажа, что позволяет оперативно принять решение и отключить двигатель при наступлении значимых помпажных явлений (например, сверхнормативные вибрации и другие.) Если отклонение давления достигнет 100% от предыдущего текущего измерения, то наблюдается механическое разрушение двигателя. При значениях промежутков времени <0,01 с наблюдаются затруднения опроса первичных преобразователей измерения давления, а при значениях промежутков времени >0,1 с наступают значимые помпажные явления. Для наиболее точного определения момента наступления значимых помпажных явлений, в соответствии с предложением, с момента начала падения давления за компрессором Р_к предусмотрена возможность измерения давления в каждый промежуток времени, равный 0,02…0,05 с, ограниченный частотой и являющийся наиболее информативным.

На чертеже показан газотурбинный двигатель, установленный в газоперекачивающем агрегате или энергоустановке с подключенной системой управления, реализующей предлагаемый способ.

Газотурбинный двигатель 1 включает в себя: компрессор 2 (включающий в себя компрессор низкого и высокого давления), турбину 3 (включающую в себя турбину низкого и высокого давления), свободную (силовую) турбину 4. Для реализации предложенного способа производится контроль изменения давления за компрессором Р_к относительно исходной величины.

Пример

Перед началом эксплуатации газотурбинного двигателя 1 проводят измерение его базовых (исходных) характеристик, включающее в себя определение исходного давления Р_к за компрессором 2. В процессе эксплуатации проводится постоянный контроль давления Р_к и сравнение его величины с предшествующими измеренными значениями. При снижении давления Р_к за компрессором 2 на величину более 1% относительно предшествующих текущих значений за промежуток времени менее 0,1 с при отсутствии управляющего сигнала на изменение режима работы двигателя производят останов двигателя.

Реализация изобретения позволяет предотвратить развитие помпажа двигателя, вызванного различными причинами (неправильная эксплуатация, повреждение рабочих лопаток и т.д.) при эксплуатации газотурбинного двигателя в наземной установке. Позволяет снизить затраты на восстановительный ремонт двигателей путем своевременной остановки и тем самым предотвращения развития разрушений в газовоздушном тракте и системах двигателя.