PL225848B1 - Sposób monitorowania niestatecznych struktur przepływowych w układzie sprężającym - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób monitorowania niestatecznych struktur przepływowych w układzie sprężającym zrealizowany poprzez zastosowanie odpowiedniego układu przetwarzającego sygnał mierzony na stanowisku układu sprężającego.

Praca niestateczna maszyn sprężających (sprężarka, dmuchawa, wentylator, pompa) objawia się cyklicznymi pulsacjami ciśnienia oraz przepływu. Towarzyszą temu wibracje oraz podwyższony poziom hałasu. W ekstremalnym przypadku następuje okresowo powtarzające się zjawisko zwrotnego przepływu czynnika zwane pompowaniem twardym sprężarki. Podczas pompowania występują znaczne naprężenia w jej elementach konstrukcyjnych, które są jedną z częstych przyczyn awarii tych maszyn. Cyklicznie przemieszczające się fluktuacje czynnika w kierunku osiowym wytwarzają obszary o dużych gradientach ciśnień powodując powtarzające się naprężenia w łopatkach sprężarki, które mogą powodować zmęczeniowe zniszczenie materiału.

Systemy sprężające są projektowane w taki sposób, aby punkt pracy systemu leżał w zakresie pracy stateczniej po prawej stronie tzw. granicy pompowania. Jednak niewielkie zaburzenie warunków pracy może spowodować przesunięcie punktu pracy sprężarki do obszaru niestateczności. Aby temu zapobiec, należy z pewnym wyprzedzeniem, czyli wówczas, gdy punkt pracy znajduje się w obszarze marginesu bezpieczeństwa, uruchomić tzw. instalację antypompażową. Zadaniem tej instalacji jest przesunięcie punktu pracy sprężarki dalej od niebezpiecznej strefy.

Innym mechanizmem obserwowanym w sprężarkach w warunkach niedoboru strumienia masy czynnika są oderwania strumienia od łopatek wirnika w sprężarkach osiowych, czy oderwania od łopatek wirnika i dyfuzora w sprężarkach promieniowych. Oderwania te formują się w tzw. oderwania wir ujące przemieszczające się w kierunku obwodowym. Oprócz typowych oderwań wirujących obserwowane są również oderwania przemieszczające się w kierunku przeciwnym do obrotów wirnika.

Jednym z pierwszych sygnałów niestatecznej pracy sprężarki, szczególnie w sprężarkach promieniowych z wirnikami typu lotniczego, jest pojawienie się tzw. recyrkulacji wlotowej, zjawiska polegającego na powstaniu zawirowania strumienia wlotowego przed krawędzią natarcia łopatek wirnika. Istnieje również wiele innych lokalnych zjawisk poprzedzających pompowanie o różnym położeniu i intensywności w zależności od typu koła wirnikowego, geometrii i warunków pracy maszyny.

Szczególnie groźne dla pracy układu sprężającego jest zjawisko pompowania. Istnieje wiele opatentowanych rozwiązań pozwalających na jego wykrycie (CN 103225621 A, US 4940391 A), prewencję (CA 2826299 A1) lub kontrolę (US 8516815 B2, WO 2013015885 A1).

Podobnie, istnieje wiele opatentowanych rozwiązań pozwalających na wykrycie (US 6857845 B2, US 8337144 B2) oraz zabezpieczenie (US 7972105 B2, EP 0597440 B1) przed zjawiskiem oderwania wirującego.

Istnieją również opatentowane rozwiązania pozwalające na wykrywanie zjawiska recyrkulacji wlotowej (US 6981838 B2) lub zapewniające jego prewencję (US 6945748 B2).

Istotą sposobu według wynalazku jest monitorowanie pracy układu sprężarki promieniowej poprzez przetwarzanie sygnału przetwornika ciśnienia i wysłanie sygnału ostrzegawczego lub regulację pracy maszyny w wypadku pojawienia się niestatecznego przepływu.

Zastosowany w sposobie według wynalazku układ jest wrażliwy na wszystkie niestacjonarne struktury, w tym pompowanie, oderwanie wirujące, recyrkulację wlotową.

Sposób monitorowania niestatecznych struktur przepływowych w układzie sprężającym według wynalazku polega na czasowym pomiarze przynajmniej jednej wielkości fizycznej charakteryzującej układ sprężający w funkcji czasu s(t), korzystnie ciśnienia. Inną wielkością może być również prędkość przepływu. Sposobem według wynalazku uzyskiwany sygnał wejściowy przelicza się na pierwszą i drugą pochodną. Na ich podstawie wyliczany jest parametr kontrolny RDF (Rate of Derrivative Fluctuation), po czym porównuje się go z ustaloną dla danego układu sprężającego wartością krytyczną i w przypadku jej przekroczenia, wysyłany jest sygnał wskazujący na pojawienie się niestacjonarnych struktur przepływowych. Parametr kontrolny RDF jest wyznaczany z uogólnionej zależności

PL 225 848 B1 gdzie A, B, C, D to stałe liczby. W szczególnym wypadku uogólniona zależność może być sprowadzona do zależności znormalizowanej:

gdzie ds λ dt) wyraża wartość średnią kwadratu pierwszej pochodnej mierzonej wielkości w waN runkach pracy stabilnej, d² s λ dt t) wyraża wartość średnią kwadratu drugiej pochodnej mierzonej

N wielkości w warunkach pracy stabilnej. Przez „znormalizowane” rozumie się tutaj taką definicję parametru kontrolnego RDF, że w warunkach pracy statecznej przyjmuje on wartość bliską jedności. Tak zdefiniowany parametr RDF delikatnie oscyluje w okolicach jedności dla pracy statecznej i bardzo szybko wzrasta przy pojawieniu się nawet lekkich zawirowań powietrza. Widać więc, że pochodne sygnału pozwalają na wykrycie niestabilności szybciej niż śledzenie samej wartości ciśnienia.

Pomiar parametru ciśnienia odbywa się przynamniej w jednym punkcie pomiarowym układu sprężającego. Korzystnie pomiar ciśnienia odbywa się w strefie dolotowej układu sprężającego, w dyfuzorze, w spirali zbiorczej, w rurze za stopniem sprężającym, w strefie nadłopatkowej.

Monitorowanie oparte o sygnał ze strefy nadłopatkowej jest mało skuteczne na potrzeby monitorowania zjawiska pompowania z uwagi na obecność zawirowań nadłopatkowych. Może jednak być stosowane do monitorowania ich rozmiaru i utrzymania optymalnego punktu pracy maszyny z punktu widzenia rozmiaru przepływów nadłopatkowych.

Sposób według wynalazku w przykładach wykonania jest bliżej objaśniony w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 przedstawia połączenie schematu bloku sprężającego ze schematem sieci działań dla monitorowania w czasie rzeczywistym znormalizowanego parametru kontrolnego RDF, który jest wrażliwy na pojawienie się niestabilnego przepływu w punkcie pomiaru, fig. 2 - sygnał ciśnienia w funkcji czasu zmierzony w trakcie opisanych badań na przetworniku zlokalizowanym w strefie wlotu do wirnika, fig. 3 - obraz znormalizowanego parametru kontrolnego RDF dla sygnału ciśnienia przedstawionego na fig. 2 w funkcji czasu, w porównaniu do przyjętej wartości krytycznej WK.

Badania były prowadzone na dmuchawie promieniowej DP1.12 dla której spręż (stosunek ciśnienia wylotowego do wlotowego) mieścił się, w zależności od położenia zaworu dławiącego, w zakresie od 1,03 do 1,08. Rejestracja sygnału trwała 20,97 sekund, w tym czasie zawór dławiący był stopniowo przymykany, aby obserwować wchodzenie układu w stan pompowania. Ciśnienie było mierzone w 7 punktach: w rurze dolotowej (sonda ciśnienia statycznego i dwie sondy ciśnienia całk owitego), w rurze wylotowej (ciśnienie statyczne) oraz na pokrywie nad wirnikiem (3 sondy ciśnienia statycznego).

Następnie przystępowano do obróbki danych. Sygnał z miernika poddawany był wygładzaniu średnią ruchomą oraz operacjom matematycznym według przytoczonego wzoru na parametr RDF. Aby uniknąć krótkotrwałych zmian parametru kontrolnego jego wartość również została wygładzona średnią ruchomą. Dla rozpatrywanego przypadku ustalono wartość krytyczną na równą 3. Zaobserwowano wyraźny wzrost parametru kontrolnego, który przekroczył ustaloną wartość krytyczną między szóstą a siódmą sekundą, podczas gdy badana maszyna weszła w stan pompowania w okolicy piętnastej sekundy.

Powyższa procedura może być realizowana w czasie rzeczywistym przez sterownik poddający sygnał obróbce w czasie rzeczywistym. Sygnał z przetwornika może zostać poddany operacjom matematycznym, tj. dodaniu stałej, przemnożeniu przez stałą, podniesieniu do potęgi, odszumianiu, filtrowaniu, a następnie rozdzielany na dwa obwody. W pierwszej odnodze sygnał przechodzi przez bramkę różniczkującą i poddany zostaje operacji matematycznej, np. podniesieniu do potęgi i przemnożeniu przez stałą. W drugiej odnodze sygnał dwukrotnie przechodzi przez bramkę różniczkującą i również jest poddany operacji matematycznej, np. podniesieniu do potęgi i przemnożeniu przez st ałą. Następnie pochodne z obu odnóg są sumowane, a wynik poddawany operacjom matematycznym, np. pierwiastkowaniu, przemnożeniu przez stałą i wygładzaniu. W efekcie opisanych transformacji

PL 225 848 B1 sygnału otrzymuje się uogólniony parametr kontrolny RDF, który jest wrażliwy na pojawienie się niestabilnych struktur przepływowych. Wyliczany w bloku decyzyjnym parametr kontrolny RDF porównywany jest w sposób ciągły z wartością krytyczną WK wyznaczoną przez operatora układu sprężając ego. Jeżeli wartość krytyczna WK została przekroczona blok wysyła sygnał wskazujący na pojawienie się niestacjonarnych struktur przepływowych w badanym punkcie i następuje automatyczne uruchomienie systemu antypompażowego lub wygaszenie pracy maszyny.

Rozwiązanie według wynalazku pozwala na lokalne wykrywanie niestabilności przepływu w stopniu sprężającym, a więc w zależności od lokalizacji przetwornika ciśnienia albo wielu przetworników ciśnienia, może zostać wykorzystane do wykrycia każdego z wyżej wymienionych zjawisk. W istocie, opisany system może być wykorzystany również do wykrywania innych niebezpiecznych zjawisk przepływowych, ponieważ jest czuły na każdą niestateczność przepływu.

W szczególności dotyczy to systemów antypompażowych, systemów wykrywających pompowanie, oderwanie wirujące i recyrkulację wlotową.

Claims (2)

1. Sposób monitorowania niestatecznych struktur przepływowych w układzie sprężającym polegający na czasowym pomiarze przynajmniej jednego parametru kontrolnego charakteryzującego układ sprężający, znamienny tym, że uzyskiwany sygnał wejściowy przelicza się na pierwszą i drugą pochodną, i na ich podstawie wylicza uogólniony parametr kontrolny RDF wyrażony zależnością:

RDF(f) = A gdzie A,B,C,D są dowolnymi wartościami stałymi, po czym porównuje go z ustaloną dla danego układu sprężającego wartością krytyczną WK i w przypadku jej przekroczenia wysyła sygnał wskazujący na pojawienie się niestacjonarnych struktur przepływowych.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że parametr kontrolny RDF wylicza się z zależ-