Результат интеллектуальной деятельности: КОНТРОЛЬ СТЕПЕНИ КОКСОВАНИЯ НА ДИНАМИЧЕСКИХ УПЛОТНЕНИЯХ ПОСРЕДСТВОМ СТАРТЕРА

Область техники

Изобретение относится к области контроля степени коксования на динамических уплотнениях в турбомашине и к турбомашинам, оснащенным системами, обеспечивающими указанный контроль.

Предшествующий уровень техники

Как показано на фиг. 1, некоторые турбомашины 1, такие как газотурбинные двигатели, включают в себя газогенератор 10, содержащий вращающийся вал 11, на котором установлен форсуночный диск 12, который, таким образом, тоже является вращающимся.

Форсуночный диск содержит множество отверстий, которые выходят в камеру 30 сгорания. Таким образом, во время своего вращения форсуночный диск распыляет топливо в камеру сгорания за счет центробежного эффекта.

Как показано на фиг. 1b, турбомашина содержит также форсуночный коллектор 20, который является неподвижной кольцевой деталью, установленной вокруг вала 11 газогенератора 10.

Форсуночный коллектор доставляет топливо к форсуночному диску. Топливо проходит во внутреннем канале 21 форсуночного коллектора и попадает сначала в полость 22, а затем в форсуночный диск.

Для обеспечения герметичности между форсуночным диском и коллектором обеспечено множество динамических уплотнений, таких как лабиринтные уплотнения 23.

Однако в канавках этих уплотнений часто образуется кокс, что приводит к появлению трений между форсуночным диском и форсуночным коллектором. Трения могут усилиться и привести к полной блокировке вала газогенератора; в этом случае запуск двигателя становится невозможным.

В случае возникновения проблем с запуском операторы осуществляют операции поиска неисправностей, описанные в инструкции по эксплуатации турбомашины. 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 динамических уплотнениях (в действительности, причины могут быть самыми разными).

Кроме того, эти операции поиска предполагают непредвиденную неготовность к работе турбомашины и, следовательно, летательного аппарата, на котором он установлен, что может потребовать отмены одного или нескольких запланированных полетов. Таким образом, эти операции являются очень затратными.

До сих пор не было предложено никакого альтернативного способа для предупреждения блокировки вала газогенератора по причине коксования на динамических уплотнениях, который позволил бы избежать операций поиска неисправности.

Поэтому существует потребность в способе контроля степени коксования на динамических уплотнениях.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является решение вышеупомянутой проблемы и создание способа контроля степени коксования на динамических уплотнениях турбомашины.

Другой задачей изобретения является обеспечение возможности контроля во время использования турбомашины, не прибегая к выводу из эксплуатации турбомашины.

В связи с этим объектом изобретения является способ контроля степени коксования на динамических уплотнениях турбомашины, включающей в себя:

- газогенератор, содержащий вращающийся вал и установленный на указанном валу форсуночный диск, предназначенный для распыления топлива за счет центробежного эффекта;

- форсуночный коллектор, предназначенный для доставки топлива в форсуночный диск;

- динамические уплотнения, предназначенные для обеспечения герметичности между форсуночным диском и форсуночным коллектором; и

- стартер, выполненный с возможностью приведения во вращение вала газогенератора во время фазы запуска турбомашины,

причем способ включает в себя этапы, на которых:

- во время фазы приведения во вращение вала газогенератора стартером при запуске турбомашины измеряют ток, проходящий через стартер, и напряжение на клеммах стартера;

- на основании измеренных тока и напряжения определяют степень коксования на динамических уплотнениях.

Предпочтительно, но необязательно, способ согласно изобретению может иметь также по меньшей мере одну из следующих особенностей:

- на этапе определения степени коксования на динамических уплотнениях определяют показатель, характеризующий противодействующий момент вала газогенератора;

- этап определения степени коксования на динамических уплотнениях включает в себя осуществление одного из следующих этапов, на которых:

ο сравнивают определенный показатель, характеризующий противодействующий момент, с заранее определенным пороговым значением;

ο определяют разность между определенным показателем и первоначальным показателем, характеризующим противодействующий момент вала, и сравнивают разность с заранее определенным пороговым значением; и

ο на основании предыдущих измерений показателя, характеризующего противодействующий момент, определяют изменение указанного показателя в зависимости от использования турбомашины и сравнивают скорость указанного изменения с заранее определенным пороговым значением;

- способ дополнительно включает в себя этап, на котором во время фазы самовращения вала газогенератора измеряют скорость вращения указанного вала;

- этап определения степени коксования на динамических уплотнениях осуществляют на основании измерений тока, проходящего через стартер, и напряжения на клеммах стартера и измерений скорости вращения вала газогенератора.

Объектом изобретения является также система контроля степени коксования на динамических уплотнениях турбомашины, включающей в себя:

- газогенератор, содержащий вращающийся вал и установленный на указанном валу форсуночный диск, предназначенный для распыления топлива за счет центробежного эффекта;

- форсуночный коллектор, предназначенный для доставки топлива в форсуночный диск;

- динамические уплотнения, предназначенные для обеспечения герметичности между форсуночным диском и форсуночным коллектором; и

- стартер, выполненный с возможностью приведения во вращение вала газогенератора во время фазы запуска турбомашины,

при этом система контроля предназначена для осуществления способа, раскрытого выше, и содержит:

- по меньшей мере одно устройство измерения напряжения на клеммах стартера и проходящего через него тока; и

- блок обработки, содержащий запоминающее устройство и средства обработки, выполненные с возможностью обработки измерений тока и напряжения для определения степени коксования на динамических уплотнениях.

Предпочтительно, но необязательно, система контроля согласно изобретению может дополнительно иметь по меньшей мере одну из следующих особенностей:

- устройство измерения выполнено с возможностью осуществления измерений напряжения и тока при частоте, превышающей или равной 10 Гц;

- система дополнительно содержит по меньшей мере один датчик скорости вращения вала газогенератора, выполненный с возможностью осуществления измерений при частоте, превышающей или равной 2 Гц.

Объектом изобретения является также турбомашина, включающая в себя:

- газогенератор, содержащий вращающийся вал и установленный на указанном валу форсуночный диск, предназначенный для распыления топлива за счет центробежного эффекта;

- форсуночный коллектор, неподвижно установленный относительно вала генератора и предназначенный для доставки топлива в форсуночный диск;

- динамические уплотнения, предназначенные для обеспечения герметичности между форсуночным диском и форсуночным коллектором, и

- стартер, выполненный с возможностью приведения во вращение вала газогенератора во время фазы запуска турбомашины,

причем турбомашина дополнительно содержит систему контроля, раскрытую выше.

Способ контроля согласно изобретению позволяет оценивать степень коксования на динамических уплотнениях турбомашины и обнаруживать критическую стадию, предшествующую невозможности запуска турбомашины.

В случае необходимости это позволяет планировать техническое обслуживание для очистки или замены динамических уплотнений.

Другие особенности, задачи и преимущества изобретения будут более понятны из последующего описания на поясняющем и неограничивающем примере со ссылками на чертежи.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1а и 1b (уже описаны) схематично поясняют принцип работы турбомашины, оснащенной форсуночным диском;

фиг. 2а и 2b поясняют основные этапы способа контроля согласно двум вариантам осуществления изобретения;

фиг. 3а - продолжительность замедления вала газогенератора для разных степеней использования турбомашины;

фиг. 3b - изменение замедления вала газогенератора в зависимости от использования турбомашины;

на фиг. 4 - изменение показателя, характеризующего противодействующий момент вала газогенератора, в зависимости от использования турбомашины.

Варианты осуществления изобретения

Фиг. 2а и 2b поясняют два варианта способа контроля коксования на динамических уплотнениях турбомашины.

Как показано на фиг. 1а, турбомашина 1, которая может быть газотурбинным двигателем, включает в себя газогенератор 10, содержащий вращающийся вал 11, приводящий во вращение установленный на нем форсуночный диск 12.

Кроме того, турбомашина содержит неподвижный форсуночный коллектор 20, который представляет собой тело вращения вокруг вала газогенератора. Форсуночный коллектор 20 содержит по меньшей мере один внутренний канал 21, который выходит в кольцевую полость 22.

Турбомашина содержит также камеру 30 сгорания, в которой происходит воспламенение топлива для создания тяги летательного аппарата, на котором установлена турбомашина.

Форсуночный диск 12 содержит радиальные внутренние каналы 13, которые сообщаются, с одной стороны, с кольцевой полостью 22 и, с другой стороны, с камерой 30 сгорания.

Топливо поступает через форсуночный коллектор в полость 22, из которой оно проходит в форсуночном диске 12 через сквозные отверстия выполненных в нем каналов 13. Затем топливо распыляется в камеру сгорания за счет центробежного эффекта, возникающего в результате вращательного движения форсуночного диска.

Для обеспечения герметичности между подвижным форсуночным диском 12 и неподвижным форсуночным коллектором 20 турбомашина содержит множество динамических уплотнений 23, предпочтительно лабиринтного типа.

Таким образом, топливо, присутствующее в полости 22, не проникает в другие части турбомашины.

Турбомашина содержит также стартер 40, который позволяет приводить во вращение вал газогенератора во время фазы запуска турбомашины.

В частности, фаза запуска включает в себя первый период около 4 секунд, во время 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, во время которого происходит воспламенение в камере сгорания, и вал газогенератора ускоряется под одновременным действием стартера и тепловой мощности турбомашины.

Наконец, турбомашина содержит систему 50 контроля степени коксования на динамических уплотнениях.

Эта система содержит блок 51 обработки, который соединен с одним или несколькими датчиками и выполнен с возможностью сбора измерений датчиков и их обработки, как будет описано далее, для определения на их основании степени коксования на динамических уплотнениях.

Блок 51 обработки может быть встроен в турбомашину или в альтернативном варианте может быть установлен отдельно от нее, например, в летательном аппарате или в наземном пункте контроля. В случае необходимости, передача данных между датчиком или датчиками и блоком обработки может быть осуществлена во время использования турбомашины посредством беспроводной связи или периодически во время фазы остановки турбомашины, 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 турбомашины, и средство обработки данных, такое как процессор 53.

Согласно первому варианту осуществления, соответствующему способу, представленному на фиг. 2а, система контроля содержит датчик 54 скорости вала газогенератора, выполненный с возможностью измерения указанной скорости при частоте, превышающей или равной 1 Гц, предпочтительно превышающей или равной 2 Гц.

Согласно второму варианту осуществления, 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 при частоте, превышающей или равной 2 Гц, предпочтительно превышающей или равной 10 Гц.

Оба показателя, используемые для контроля степени коксования на уплотнениях, 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 уплотнениях.

Контроль степени коксования на динамических уплотнениях по скорости вращения вала газогенератора

Далее со ссылками на фиг. 2а следует описание способа 1000 контроля коксования на динамических уплотнениях турбомашины 1 согласно первому варианту осуществления.

В этом способе используют первый показатель, которым является замедление вращения вала газогенератора во время фазы самовращения вала. Самовращение происходит во время фазы остановки турбомашины, 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 динамических уплотнениях. Действительно, чем больше «закоксованы» динамические уплотнения, тем сильнее трение между форсуночным коллектором и форсуночным диском, которое тормозит 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 при малых оборотах, чем другие факторы, влияющие на торможение, такие как аэродинамические трения, которые зависят от скорости вращения и, следовательно, являются пропорционально менее значительными при малых оборотах.

Следовательно, изучение замедления вала 11 при малых оборотах позволяет сделать вывод о степени коксования на динамических уплотнениях.

Таким образом, способ включает в себя этап 1100 измерения скорости вращения вала газогенератора турбомашины посредством датчика 54 во время фазы самовращения вала.

На фиг. 3а показано замедление вала газогенератора между скоростью вращения 3000 об/мин и скоростью вращения 600 об/мин для разных использований турбомашины, при этом первое измерение и последнее измерение разделены промежутком примерно в 250 использований турбомашины.

Крутизна кривой скорости вращения больше по абсолютной величине для последнего использования, при котором количество кокса в динамических уплотнениях больше.

Затем, как показано на фиг. 2а, способ включает в себя этап 1200 определения, на основании изменения во времени измеряемой скорости вращения, степени коксования на динамических уплотнениях.

Действительно, поскольку скорость вращения была измерена при 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 при малых оборотах. Следовательно, значения скоростей, между которыми вычисляют замедление, включают в себя первую скорость, составляющую от 1000 до 2500 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 динамических уплотнениях разными способами.

Согласно первому варианту осуществления во время этапа 1221 блок обработки сравнивает крутизну кривой скорости вращения с одним или несколькими заранее определенными пороговыми значениями, соответствующими одной или нескольким определенным степеням коксования: например, степень коксования может соответствовать числу использований газотурбинного двигателя до того, как газогенератор будет заблокирован.

Пороговое значение может быть установлено в зависимости от большого числа параметров, зависящих от турбомашины и от условий ее 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 турбомашины. Блок обработки может вычислить разность между двумя значениям крутизны и сравнить эту разность с заранее определенным пороговым значением, чтобы вывести на ее основании, как и в предыдущем варианте, степень коксования на уплотнениях.

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 турбомашины, например, в зависимости от числа использований турбомашины (от числа запусков).

На фиг. 3b показано изменение, в зависимости от использования турбомашины, 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 уплотнениях.

Следовательно, этап 1223 включает в себя измерение скорости изменения вычисляемого замедления в зависимости от использования турбомашины и сравнение этой скорости изменения с заранее определенным пороговым значением.

Контроль степени коксования на динамических уплотнений по току, потребляемому стартером, и напряжению на его клеммах

Фиг. 2b поясняет способ 1000 контроля степени коксования на динамических уплотнениях согласно другому варианту осуществления.

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 турбомашины.

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 - Tq_m - крутящий момент электрического двигателя,

K₁ - константа,

I_m - ток, потребляемый электрическим двигателем,

ω_s - скорость вращения стартера.

Крутящий момент электрического двигателя компенсирует противодействующий момент вала газогенератора, увеличивая при этом скорость его вращения.

где - Tq_r является противодействующим моментом вала газогенератора на валу стартера,

J - инерция нагрузки на валу стартера, и

- временная производная ω_s, то есть ускорение вала стартера.

Увеличение противодействующего момента можно рассматривать через изменение тока и напряжения на клеммах электрического двигателя, то есть стартера.

Показатель, характеризующий противодействующий момент вала газогенератора, который является однородным при одном токе, можно вычислить следующим образом:

где - imageTq_r - показатель, характеризующий противодействующий момент вала газогенератора, полученный на основании тока I_m, потребляемого стартером, и напряжения V_m на его клеммах,

I_m - среднее значение тока, потребляемого электрическим двигателем во время фазы запуска стартером вращения вала газогенератора,

- средняя крутизна V_m во время фазы запуска стартером вращения вала газогенератора,

а - константа, определенная таким образом, что imageTq_r = 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.

Таким образом, за этапом измерения тока и напряжения на клеммах стартера следует этап 1600 определения, на основании этих измерений, степени коксования на динамических уплотнениях с вычислением при помощи вышеуказанных уравнений показателя imageTq_r, характеризующего 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 динамических уплотнениях 1620 можно получать разными способами.

Согласно первому варианту осуществления 1621 значение показателя imageTq_r, которое, в случае необходимости, может быть его средним значением за период начала вращения, можно сравнить с одним или несколькими заранее определенными пороговыми значениями, соответствующими одной или нескольким определенным степеням коксования; например, степень коксования может соответствовать числу использований турбомашины до того, как газогенератор будет заблокирован.

Согласно альтернативному варианту осуществления 1622, блок обработки сравнивает значение показателя, характеризующего момент, с первоначальным значением, определенным во время первого использования или во время первого ввода в эксплуатацию турбомашины. Блок обработки может вычислить разность между двумя значениями и сравнить эту разность с заранее определенным пороговым значением, чтобы вывести на ее основании, как в предыдущем случае, степень коксования на уплотнениях.

Наконец, согласно третьему варианту осуществления во время этапа 1623 блок обработки собирает данные показателя imageTq_r, регулярно вычисляемые в идентичных условиях и сохраняемые в запоминающем устройстве 52, и определяет скорость изменения указанного показателя в зависимости от использования турбомашины.

На фиг. 4 показано изменение, в зависимости от использования турбомашины, значения показателя imageTq_r 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 уплотнениях.

Следовательно, этап 1623 включает в себя измерение скорости изменения показателя imageTq_r в зависимости от использования турбомашины и сравнение этой скорости изменения с заранее определенным пороговым значением.

Использование нескольких показателей для контроля коксования

Оба вышеуказанных показателя могут быть использованы одновременно для подтверждения или уточнения информации о степени коксования на динамических уплотнениях.

Поскольку показатель замедления вала газогенератора измеряют во время фазы остановки турбомашины, тогда как показатель противодействующего момента вала измеряют во время фазы запуска, то предпочтительно полученные результаты сравнивают после остановки турбомашины.

При этом блок обработки сравнивает полученные результаты и выдает конечное указание о степени коксования на уплотнениях.

Кроме того, в зависимости от степени коксования, определенной при помощи одного из вышеуказанных способов, может срабатывать тревожная сигнализация для предупреждения о необходимости технического обслуживания турбомашины.