RU2184258C2

RU2184258C2 - Gas turbine engine control system

Info

Publication number: RU2184258C2
Application number: RU2000116593A
Authority: RU
Inventors: М.И. Новиков; А.И. Сурский
Original assignee: Новиков Михаил Иванович; Сурский Александр Иванович
Priority date: 2000-06-19
Filing date: 2000-06-19
Publication date: 2002-06-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; turbines. SUBSTANCE: in proposed control systems of gas turbine engine cutoff and stop valves are provided with electromagnetic drives, system is provided also with unit automatic control system and valve control unit one power inlet of which is connected with ac power voltage bus, and other power inlet is connected with DC power voltage bus. Control inlet are connected with unit automatic control system and outlets are connected with windings of electromagnetic drives of cutoff and stop valves with possibility of taking off short-time power voltage and then operating voltage and outlets are connected with windings of protective electromagnet of control valve and electromagnetic starting and standby valves for taking off operating voltage. Outlet is connected with windings of electromagnetic drives of pulse valves of outlet air valves with possibility of taking off either power or operating voltage. EFFECT: improved reliability and quick action of control systems of gas turbine engines in case of operation of protection by using cutoff and stop valves with electromagnetic drives and valve control unit. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области турбостроения, в частности к системам регулирования газотурбинных двигателей. The invention relates to the field of turbine construction, in particular to control systems for gas turbine engines.

Изобретение решает задачу повышения надежности и быстродействия систем регулирования газотурбинных двигателей при срабатывании защит путем применения отсечных и стопорных клапанов с электромагнитными приводами и блока управления клапанами. The invention solves the problem of improving the reliability and speed of regulation systems of gas turbine engines when triggered by using shut-off and stop valves with electromagnetic actuators and valve control unit.

В предлагаемой системе регулирования газотурбинного двигателя отсечные и стопорные клапаны выполнены с электромагнитными приводами, система регулирования содержит систему агрегатной автоматики и блок управления клапанами, у которого один силовой вход соединен с шиной силового напряжения переменного тока, другой силовой вход соединен с шиной силового напряжения постоянного тока, управляющие входы соединены с системой агрегатной автоматики, выходы с возможностью подачи с них кратковременно силового напряжения, а затем рабочего напряжения соединены с обмотками электромагнитных приводов отсечных и стопорных клапанов, выходы с возможностью подачи с них рабочего напряжения соединены с обмотками защитного электромагнита регулирующего клапана и электромагнитных запального и дежурного клапанов, выход с возможностью подачи с него либо силового, либо рабочего напряжения соединен с обмотками электромагнитных приводов импульсных клапанов выпускных воздушных клапанов. In the proposed gas turbine engine control system, the shut-off and stop valves are made with electromagnetic actuators, the control system includes an aggregate automation system and a valve control unit, in which one power input is connected to the AC voltage bus, the other power input is connected to the DC voltage bus, control inputs are connected to the aggregate automation system, outputs with the possibility of supplying them with short-term power voltage, and then working voltage The connections are connected to the windings of the electromagnetic actuators of the shut-off and stop valves, the outputs with the possibility of supplying operating voltage from them are connected to the windings of the protective electromagnet of the control valve and the electromagnetic pilot and duty valves, the output with the possibility of supplying either power or operating voltage from it is connected to the windings of the electromagnetic drives pulse valves exhaust air valves.

Известна система регулирования газотурбинного двигателя, содержащая отсечные, стопорные, регулирующие и пусковой клапаны с пневматическими сервомоторами, выпускные воздушные клапаны с пневматическими импульсными клапанами, в управляющих пневмолиниях которых установлены электромагнитные вентили, противопомпажный клапан, в управляющей пневмолинии которого установлен электромагнитный вентиль (см., например, а.с. SU 1815372 "Система регулирования газотурбинного двигателя") - прототип. A known system for regulating a gas turbine engine, comprising shut-off, stop, regulating and starting valves with pneumatic servomotors, exhaust air valves with pneumatic pulse valves, in the control pneumatic lines of which there are electromagnetic valves, an anti-surge valve, in the control pneumatic line of which an electromagnetic valve is installed (see, for example , AS SU 1815372 "Regulation system for a gas turbine engine") - prototype.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности работы газотурбинных двигателей (в частности, путем повышения надежности и быстродействия их систем регулирования). The objective of the invention is to increase the reliability of gas turbine engines (in particular, by increasing the reliability and speed of their regulation systems).

Существенными признаками предлагаемого изобретения являются установленные в магистрали топливного газа отсечной, стопорный, регулирующий, запальный и дежурный клапаны с приводами, в магистрали пускового газа отсечной и стопорный клапаны с приводами, расцепное устройство между валами турбодетандера и циклового компрессора, антипомпажные клапаны и выпускные воздушные клапаны с импульсными клапанами, установленные в нагнетании циклового компрессора, при этом отсечные и стопорные клапаны, установленные в магистралях топливного и пускового газа, выполнены с электромагнитными приводами, система регулирования содержит систему агрегатной автоматики и блок управления клапанами, у которого один силовой вход соединен с шиной силового напряжения переменного тока, другой силовой вход соединен с шиной силового напряжения постоянного тока, управляющие входы соединены с системой агрегатной автоматики, выходы с возможностью подачи с них кратковременно силового напряжения, а затем рабочего напряжения соединены с обмотками электромагнитных приводов отсечных и стопорных клапанов, выходы с возможностью подачи с них рабочего напряжения соединены с обмотками защитного электромагнита регулирующего клапана и электромагнитных запального и дежурного клапанов, выход с возможностью подачи с него либо силового, либо рабочего напряжения соединен с обмотками электромагнитных приводов импульсных клапанов выпускных воздушных клапанов. The essential features of the invention are the shut-off, stop, regulating, ignition and duty valves with actuators installed in the fuel gas line, shut-off and stop valves with actuators in the start-up gas line, a disconnecting device between the shafts of the turboexpander and cycle compressor, anti-surge valves and exhaust air valves with pulse valves installed in the discharge of the cyclic compressor, while shut-off and stop valves installed in the fuel lines and start gas, made with electromagnetic drives, the control system contains an aggregate automation system and a valve control unit, in which one power input is connected to the bus of the AC voltage, the other power input is connected to the bus of the DC voltage, the control inputs are connected to the aggregate automation system , outputs with the possibility of supplying them with short-term power voltage, and then the operating voltage are connected to the windings of the electromagnetic drives of shut-off and stop valves new, the outputs with the possibility of supplying operating voltage from them are connected to the windings of the protective electromagnet of the control valve and electromagnetic ignition and duty valves, the output with the possibility of supplying either power or operating voltage from it is connected to the windings of the electromagnetic actuators of the pulse valves of the exhaust air valves.

Отличительными признаками предлагаемого изобретения является то, что отсечные и стопорные клапаны, установленные в магистралях топливного и пускового газа, выполнены с электромагнитными приводами, система регулирования содержит систему агрегатной автоматики и блок управления клапанами, у которого один силовой вход соединен с шиной силового напряжения переменного тока, другой силовой вход соединен с шиной силового напряжения постоянного тока, управляющие входы соединены с системой агрегатной автоматики, выходы с возможностью подачи с них кратковременно силового напряжения, а затем рабочего напряжения соединены с обмотками электромагнитных приводов отсечных и стопорных клапанов, выходы с возможностью подачи с них рабочего напряжения соединены с обмотками защитного электромагнита регулирующего клапана и электромагнитных запального и дежурного клапанов, выход с возможностью подачи с него либо силового, либо рабочего напряжения соединен с обмотками электромагнитных приводов импульсных клапанов выпускных воздушных клапанов. Distinctive features of the present invention is that the shut-off and stop valves installed in the fuel and start-up gas lines are made with electromagnetic drives, the control system contains an aggregate automation system and a valve control unit, in which one power input is connected to the AC voltage bus, another power input is connected to the DC bus voltage, the control inputs are connected to an aggregate automation system, outputs can be fed short-term power voltage and then operating voltage are connected to the windings of the electromagnetic drives of the shut-off and stop valves, outputs with the possibility of supplying working voltage from them are connected to the windings of the protective electromagnet of the control valve and the electromagnetic pilot and duty valves, the output can be supplied from it or power or operating voltage is connected to the windings of the electromagnetic drives of the pulse valves of the exhaust air valves.

На чертеже схематично представлена система регулирования газотурбинного двигателя. The drawing schematically shows the control system of a gas turbine engine.

В магистрали топливного газа установлены отсечной клапан 1 с электромагнитным приводом 2, датчиком положения 3 и пружиной 4, стопорный клапан 5 с электромагнитным приводом 6, датчиком положения 7 и пружиной 8, регулирующий клапан 9 с электроприводом 10, защитным электромагнитом 11 и датчиком положения 12, дежурный электромагнитный клапан 13 и запальный электромагнитный клапан 14. В магистрали пускового газа установлены отсечной клапан 15 с электромагнитным приводом 16, датчиком положения 17 и пружиной 18, стопорный клапан 19 с электромагнитным приводом 20, датчиком положения 21 и пружиной 22. Между турбодетандером 23 и валом 24 циклового компрессора 25 газотурбинного двигателя 26, включающего в себя камеру сгорания 27, установлено расцепное устройство 28. В нагнетании циклового компрессора 25 расположены выпускные воздушные клапаны 29 (один или несколько) с импульсными клапанами 30 с электромагнитными приводами 31 и датчиками положения 32. За одной из промежуточных ступеней циклового компрессора 25 размещены антипомпажные клапаны 33. Газотурбинный двигатель 26 оснащен также блоком управления клапанами 34, системой агрегатной автоматики 35 и системой защиты 36 (с автоматами безопасности, устройствами защиты от вибрации и т.д.). A shut-off valve 1 with an electromagnetic actuator 2, a position sensor 3 and a spring 4, a stop valve 5 with an electromagnetic actuator 6, a position sensor 7 and a spring 8, a control valve 9 with an electric actuator 10, a protective electromagnet 11 and a position sensor 12 are installed in the fuel gas line standby solenoid valve 13 and pilot solenoid valve 14. The shut-off valve 15 with an electromagnetic actuator 16, a position sensor 17 and a spring 18, a check valve 19 with an electromagnetic actuator are installed in the starting gas line m 20, a position sensor 21 and a spring 22. Between the turboexpander 23 and the shaft 24 of the cycle compressor 25 of the gas turbine engine 26 including the combustion chamber 27, a trip device 28 is installed. In the discharge of the cycle compressor 25 there are exhaust air valves 29 (one or more) with pulse valves 30 with electromagnetic actuators 31 and position sensors 32. Anti-surge valves 33 are placed behind one of the intermediate stages of the cycle compressor 25. The gas turbine engine 26 is also equipped with a valve control unit 34, aggregate automation system 35 and the security system 36 (security automata vibration protection devices, etc.).

Работает система регулирования газотурбинного двигателя следующим образом (см. чертеж). The gas turbine engine regulation system operates as follows (see drawing).

Предварительно рассмотрим отдельно работу одного, например, стопорного клапана (СК) 5 во взаимодействии его с блоком управления клапанами (БУК) 34. По команде из системы агрегатной автоматики (САА) 35 БУК 34 подает на электромагнитный привод (ЭМП) 6 СК 5 силовое форсировочное напряжение для включения электромагнита ЭМП 6 и, соответственно, открытия СК 5. Это кратковременный пусковой режим работы ЭМП 6, длящийся порядка ~ 1 сек (режим форсировки). После открытия СК 5 по сигналу датчика положения (ДП) 7 (конечного выключателя) блок управления клапанами 34 снижает напряжение на обмотке ЭМП 6 до рабочего напряжения, представляющего собой напряжение предельной защиты, которое удерживает электромагнит ЭМП 6 в замкнутом (якорь электромагнита втянут в корпус электромагнита) состоянии (режим удержания), а СК 5, соответственно, в открытом (рабочем) положении. В случае срабатывания какого-либо из элементов системы защиты 36 газотурбинного двигателя (ГД) 26 БУК 34 обесточивает ЭМП 6 и СК 5 закрывается под действием пружины 8. В блоке управления клапанами 34, содержащем сетевой фильтр, диодный мост, различные реле, диоды, блоки питания и другие электрические устройства, установлен таймер, который в случае какого-либо сбоя в программе управления отключает подачу силового форсировочного напряжения на ЭМП 6 через 10...15 сек после его включения во избежание перегрева обмотки ЭМП 6. Аналогичным образом происходит взаимодействие и работа БУК 34 со стопорным клапаном 19 в пусковой магистрали газа и с отсечными клапанами 1 и 15. We first consider separately the operation of one, for example, a check valve (CK) 5 in its interaction with the valve control unit (BEC) 34. By command from the aggregate automation system (CAA) 35, the BEC 34 feeds an electromagnetic force-generating drive (EMF) 6 SC 5 voltage to turn on the electromagnet EMF 6 and, accordingly, open SC 5. This is a short-term starting mode of EMF 6 operation, lasting about ~ 1 sec (boost mode). After opening the SC 5 by the signal of the position sensor (DP) 7 (limit switch), the valve control unit 34 reduces the voltage on the winding of the EMF 6 to the operating voltage, which is the maximum protection voltage that keeps the electromagnet EMF 6 closed (the armature of the electromagnet is pulled into the body of the electromagnet ) state (holding mode), and SK 5, respectively, in the open (working) position. If any of the elements of the protection system 36 of the gas turbine engine (DG) 26 is triggered, the BUK 34 de-energizes the EMF 6 and the SK 5 closes under the action of the spring 8. In the valve control unit 34, which contains a line filter, a diode bridge, various relays, diodes, blocks power supply and other electrical devices, a timer is installed that, in the event of a malfunction in the control program, turns off the supply of power-up voltage to the EMF 6 10 ... 15 seconds after it is turned on to avoid overheating of the EMF winding 6. Similarly, um interaction and operation of the BUK 34 with the stop valve 19 in the starting gas line and with shut-off valves 1 and 15.

Шина силового напряжения переменного тока является основным источником тока (выпрямляемого в БУК 34), а шина силового напряжения постоянного тока используется как резервная. В качестве силового напряжения могут быть использованы 127 В, 220 В, 380 В и т.п. В качестве рабочего (удерживающего электромагниты в замкнутом положении) могут быть приняты 24 В, 27 В, 36 В и т.п. В спроектированных авторами стопорных и отсечных клапанах с электромагнитными приводами на ~ Ду 50 мм и Ру 2,5 МПа при подаче на обмотку электромагнитного привода клапана напряжения постоянного тока 220 В (или выпрямленного переменного напряжения 220 В 50 Гц) клапан открывается с потреблением ~ 1800 Вт мощности, после чего при снижении напряжения на обмотке до 24 В (постоянный ток) и устойчивом удержании клапана в открытом положении потребляемая мощность составляет порядка ~ 30 Вт. The AC bus voltage is the main current source (rectified in the BUK 34), and the DC bus voltage is used as a backup. 127 V, 220 V, 380 V, etc. can be used as the power voltage. As a working (holding the electromagnets in the closed position) can be taken 24 V, 27 V, 36 V, etc. In shut-off and shut-off valves designed by the authors with electromagnetic actuators of ~ DN 50 mm and PN 2.5 MPa, when a 220 V DC voltage (or a rectified AC voltage of 220 V 50 Hz) is supplied to the electromagnetic drive of the valve, the valve opens with a consumption of ~ 1800 W power, after which, when the voltage across the winding is reduced to 24 V (direct current) and the valve is held steady in the open position, the power consumption is about ~ 30 W.

Пуск газотурбинного двигателя. Система агрегатной автоматики 35 производит проверку готовности газотурбинного двигателя (ГД) 26 к пуску и контроль состояния и положений узлов системы регулирования, в частности отсечных и стопорных клапанов. Клапаны 1, 5, 9, 13, 14, 15, 19, 29, 30 закрыты, клапаны 33 открыты, вал турбодетандера (ТД) 23 расцеплен с ротором 24, электромагниты 2, 6, 11, 16, 20 обесточены. Элементы системы защиты 36 в рабочем состоянии. Подается напряжение на шины силового напряжения блока управления 34. Электромагнитные приводы (ЭМП) 31 или обесточены, или на них подают напряжение в зависимости от исполнения импульсных клапанов (ИК) 30 (при нормальной работе ГД 26 ИК 30 должны быть закрыты). Включаются масляные насосы, приводится в рабочее положение необходимая запорная арматура по газу. Затем из САА 35 подается команда в блок управления 34 на открытие ЭМП 6 СК 5 и ЭМП 2 отсечного клапана 1, затем команда на введение расцепным устройством 28 вала турбодетандера (ТД) 23 в зацепление с ротором 24 циклового компрессора 25. Затем ЭМП 20 открывается СК 19 и с помощью ЭМП 16 OK 15 на подаче пускового газа в ТД 23, начинается раскрутка ротора 24 циклового компрессора 25. По достижении ротором 24 заданных оборотов открывают запальный клапан 14, включают зажигание в камере сгорания (КС) 27, одновременно открывают дежурный клапан (ДК) 13. После появления факела в КС 27 ЗК 14 закрывают. После прогрева ГД 26 на ДК 13 приоткрывают регулирующий клапан (РК) 9 ("подрыв" РК 9), после чего на небольшом открытии РК 9 следует очередной прогрев ГД 26, далее приоткрывая РК 9 с определенным темпом увеличивают частоту вращения ГД 26. При достижении ГД 26 определенной частоты вращения (режим самоходности) САА 35 выдает команду в БК 34 на обесточивание ЭМП 16 и 20, клапаны 15 и 19 закрываются, после чего расцепное устройство 28 выводит вал ТД 23 из зацепления с ротором 24 циклового компрессора 25. При дальнейшем увеличении частоты вращения закрываются антипомпажные клапаны (АК) 33, осуществляющие сброс воздуха в атмосферу за одной из промежуточных ступеней циклового компрессора 25 при пуске. Режим пуска заканчивается выходом ГД 26 на холостой ход. Затем ГД 26 нагружают, при этом электропривод 10 получает команды САА 35 на большее открытие РК 9 (увеличивают подачу топлива в КС 27). Start the gas turbine engine. Aggregate automation system 35 checks the readiness of the gas turbine engine (DG) 26 for start-up and monitors the status and positions of the nodes of the control system, in particular shut-off and stop valves. Valves 1, 5, 9, 13, 14, 15, 19, 29, 30 are closed, valves 33 are open, the shaft of the turboexpander (TD) 23 is disconnected from the rotor 24, the electromagnets 2, 6, 11, 16, 20 are de-energized. Elements of protection system 36 are operational. The voltage is supplied to the voltage buses of the control unit 34. The electromagnetic actuators (EMFs) 31 are either de-energized or supplied with voltage depending on the version of the pulse valves (IR) 30 (during normal operation of the turbine engine 26 IR 30 must be closed). The oil pumps are switched on, the necessary gas shutoff valves are brought into operation. Then, a command is sent from the CAA 35 to the control unit 34 to open the EMF 6 SC 5 and EMF 2 of the shut-off valve 1, then the command to insert the turbo expander (TD) 23 shaft by the releasing device 28 into engagement with the rotor 24 of the cyclic compressor 25. Then, the EMF 20 opens 19 and using EMF 16 OK 15 on the supply of starting gas to the TD 23, the spinning of the rotor 24 of the cycle compressor 25 begins. When the rotor 24 reaches the specified speed, the ignition valve 14 is opened, the ignition in the combustion chamber (CS) 27 is turned on, and the standby valve is opened at the same time ( DK) 13. After the appearance of the torch and in COP 27 ZK 14 close. After warming up the engine 26 on the recreation center 13, the control valve (PK) 9 is opened (“blowing up” the tank 9), after which at the small opening of the coffee house 9 another heating of the engine 26 follows, then opening the coffee machine 9 at a certain pace increases the speed of the engine 26. When it reaches DG 26 of a certain speed (self-propelled mode) CAA 35 issues a command to BC 34 to deenergize the EMF 16 and 20, the valves 15 and 19 are closed, after which the uncoupling device 28 disengages the TD 23 shaft from the rotor 24 of the cyclic compressor 25. With a further increase rotational speeds close antipom azhnye valves (AC) 33, performing venting to the atmosphere a cyclic intermediate stages of the compressor 25 during starting. The start mode ends with the output of the engine 26 idling. Then, the diesel engine 26 is loaded, while the electric drive 10 receives CAA 35 commands for a larger opening of the RC 9 (increase the fuel supply to the COP 27).

Нормальная остановка газотурбинного двигателя. По команде САА 35 электропривод 10 прикрывает РК 9, снижая тем самым частоту вращения ГД 26 до момента, когда открываются АК 33, далее следует команда на прикрытие РК 9, и при достижении им уровня "подрыв" РК 9 следует команда в БУК 34 на закрытие СК 5, OK 1, РК 9 и на открытие ИК 30, вследствие чего открываются выпускные воздушные клапаны (ВВК) 29. Normal shutdown of a gas turbine engine. At the command of CAA 35, the electric drive 10 covers RK 9, thereby reducing the speed of the engine 26 until the AK 33 opens, then the command to cover RK 9 follows, and when it reaches the level of “undermining” RK 9, the command in BUK 34 closes SK 5, OK 1, RK 9 and the opening of IK 30, as a result of which the exhaust air valves (VVK) 29 open.

Аварийная остановка газотурбинного двигателя. При срабатывании какого-либо из элементов системы защиты 36 ГД 26 блок управления клапанами 34 одновременно обесточивает электромагнитные приводы 2, 6, 11 (и 16, 20 - при пуске), соответственно, клапаны 1, 5, 9 (и 15, 19 - при пуске) закрываются. Также обесточивается и закрывается ДК 13. В зависимости от принятой схемы обесточиваются или, наоборот, на них подается напряжение ЭМП 31, вследствие чего открываются ИК 30 и, соответственно, ВВК 29. Далее при снижении частоты вращения (падении давления в цикловом компрессоре 25) открываются также АК 33. Emergency stop of a gas turbine engine. When any of the elements of the protection system 36 ГД 26 is activated, the valve control unit 34 simultaneously de-energizes the electromagnetic actuators 2, 6, 11 (and 16, 20 - at start-up), respectively, valves 1, 5, 9 (and 15, 19 - at start) close. The DC 13 is also de-energized and closed. Depending on the adopted circuit, the EMF 31 is de-energized or, conversely, they are supplied with EMF voltage 31, as a result of which IK 30 and, accordingly, VVK 29 are opened. Then, when the speed decreases (pressure drop in the cycle compressor 25) they open also AK 33.

Claims

A gas turbine engine control system containing shut-off, stop, regulating, pilot and pilot valves with actuators installed in the fuel gas line, shut-off and stop valves with actuators in the start-up gas line, a disconnecting device between the shafts of the turbine expander and the cycle compressor, anti-surge valves and exhaust air valves with pulse valves installed in the discharge of the cyclic compressor, characterized in that the shut-off and stop valves installed in the fuel lines of starting and starting gas, made with electromagnetic drives, the control system contains an aggregate automation system and a valve control unit, in which one power input is connected to the bus of the AC voltage, the other power input is connected to the bus of the DC voltage, the control inputs are connected to the system aggregate automation, outputs with the possibility of supplying them with short-term power voltage, and then the operating voltage are connected to the windings of electromagnetic shut-off and stop drives valves, outputs with the possibility of supplying operating voltage from them are connected to the windings of the protective electromagnet of the control valve and electromagnetic pilot and duty valves, the output with the possibility of supplying either power or operating voltage from it is connected to the windings of the electromagnetic actuators of the pulse valves of the exhaust air valves.