RU2187711C1

RU2187711C1 - Method of diagnosis of stalling and surging of compressor of gas-turbine engine

Info

Publication number: RU2187711C1
Application number: RU2000129301/06A
Authority: RU
Inventors: А.А. Иноземцев; Ю.С. Савенков; А.Н. Саженков; Ю.А. Трубников
Original assignee: Открытое акционерное общество "Авиадвигатель"
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2000-11-22
Publication date: 2002-08-20

Abstract

FIELD: early detection of unstable operation of gas-turbine engine, stalling and surging of compressor in particular characterized by considerable low-frequency fluctuations of parameters of flow in flow section of gas-turbine. SUBSTANCE: proposed method includes measurement of brightness temperature "T" of radiation of surface structural members of gas-turbine engine, comparison of magnitude "T" with its threshold parameter T_thres. According to invention, magnitude of derivative of first order is additionally determined by time of brightness radiation temperature dT/dτ and is compared with threshold magnitude "A"; is case magnitude "T" and dT/dτ exceed those of T_thres and "A" respectively, signal indicating beginning of compressor stalling and surging is shaped. EFFECT: increased speed of response and reliability of diagnosis due to earlier determination of initial stage of stalling and surging of compressor on base of information of dynamic of change of parameters under test. 14 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области раннего обнаружения неустойчивой работы газотурбинного двигателя (ГТД), в частности помпажа компрессора, характеризуемого сильными низкочастотными колебаниями параметров потока в проточной части ГТД. The invention relates to the field of early detection of unstable operation of a gas turbine engine (GTE), in particular surge of the compressor, characterized by strong low-frequency fluctuations in flow parameters in the flow part of the GTE.

Широко известны способы диагностики помпажа компрессоров ГТД, в которых контролируемыми параметрами служат, например, полное давление воздуха за компрессором высокого давления (Р_квд), частоты вращения роторов высокого и низкого давлений (n_вд, n_нд) либо температура торможения газов за турбиной низкого давления (Т_тнд) [1, 2, 3, 4].Widely known methods for diagnosing surging of gas turbine compressors, in which the controlled parameters are, for example, the total air pressure behind the high pressure compressor (P _kW ), the rotational speed of the high and low pressure rotors (n _vd , n _nd ) or the gas braking temperature behind the low pressure turbine (T _tnd ) [1, 2, 3, 4].

В известных способах использован принцип измерения контролируемого параметра и/или его производных, относительной величины, сравнения фактической величины параметра и/или производных относительной величины с их предельно допустимыми (пороговыми) значениями, при превышении фактической величины над соответствующими пороговыми значениями подается сигнал критической ситуации, свидетельствующий о потере газодинамической устойчивости. In known methods, the principle of measuring a controlled parameter and / or its derivatives, a relative value, comparing the actual value of a parameter and / or derivatives of a relative value with their maximum permissible (threshold) values is used, in case of exceeding the actual value over the corresponding threshold values, a critical situation signal is given, indicating about the loss of gas-dynamic stability.

Однако известные способы не обеспечивают достаточно точное и своевременное обнаружение помпажа и необходимую достоверность выявления ранних стадий помпажа компрессора ГТД. В ряде случаев наблюдались ложные срабатывания противопомпажной системы (например, при отказах электропроводки датчиков двигателя, сбоев вычислительных устройств, работающих по однопараметрическим критериям выявления помпажа, поломки трубопровода подвода воздуха). Кроме того, как указано в [5], "момент времени, соответствующий началу регистрации падения полного давления неподвижным (типовым) датчиком давления, запаздывает по сравнению с моментом начала срыва на время, равное длительности провала" давления при срыве. However, the known methods do not provide sufficiently accurate and timely detection of surging and the necessary reliability of identifying the early stages of surging of the compressor GTE. In a number of cases, false responses of the anti-surge system were observed (for example, in the event of a failure in the wiring of the engine sensors, malfunctions of computing devices operating according to the one-parameter criteria for detecting surge, breakdown of the air supply pipe). In addition, as indicated in [5], the “moment of time corresponding to the beginning of the registration of the total pressure drop by the stationary (typical) pressure sensor is delayed compared with the moment of the start of the breakdown by a time equal to the duration of the“ failure ”of the pressure during the breakdown.

Наиболее близким к заявляемому является способ диагностики помпажа компрессора газотурбинного двигателя НК-8-2У с использованием методов оптической пирометрии с фиксацией текущей яркостной температуры излучения нагретой поверхности роторных лопаток турбины ГТД [6]. В известном способе диагностики с помощью оптического пирометра измеряли яркостную температуру излучения Т, сравнивали ее текущее значение с пороговым для заданной поверхности роторных лопаток турбины Т_порог, выше которого эксплуатация двигателя запрещена, тем самым подтверждали помпаж компрессора ГТД. В основе этого способа лежит чувствительность оптического пирометра к излучению высокотемпературных сажистых образований, неизбежно образующихся при помпаже и имеющих непрерывный спектр излучения, включая диапазон рабочих волн фотоприемника оптического пирометра.Closest to the claimed is a method for diagnosing surge in the compressor of a gas turbine engine NK-8-2U using optical pyrometry methods with fixing the current brightness temperature of the radiation of the heated surface of the turbine engine rotor blades [6]. In a diagnostic method using an optical pyrometer measured brightness temperature of the current value with a threshold for a predetermined surface of the turbine rotor blades _threshold T T compared radiation above which the engine operation is prohibited, thereby confirmed GTE compressor surging. The basis of this method is the sensitivity of the optical pyrometer to the radiation of high-temperature soot formations that inevitably form during surge and have a continuous emission spectrum, including the operating wavelength range of the photodetector of the optical pyrometer.

Однако известный способ также не обладает достаточным быстродействием и достоверностью диагностики процесса помпажа из-за недостаточной динамики изменения параметра Т и возможного превышения Т над Т_порог в ситуациях, не связанных с помпажем компрессора (например, при кратковременном тепловом перегреве турбины из-за неудовлетворительной работы системы защиты турбины от перегрева). В ряде случаев, например, при помпаже на режиме "малый газ" параметр Т не достигает Т_порог при первом помпажном колебании, что приводит к несрабатыванию противопомпажной системы, а следовательно - к продолжению помпажа и возможной поломке компрессора, перегреву турбины, отказу двигателя в целом.However, the known method also does not have sufficient speed and reliability of the diagnosis of the surge process due to insufficient dynamics of the parameter T and the possible excess of T over T _threshold in situations not related to compressor surges (for example, during short-term thermal overheating of the turbine due to poor operation of the system protect the turbine from overheating). In some cases, for example, when surging on the "low gas" mode, the parameter T does not reach the T _threshold during the first surge fluctuation, which leads to failure of the anti-surge system, and consequently to continued surging and possible compressor failure, overheating of the turbine, engine failure as a whole .

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении быстродействия и достоверности диагностики помпажа компрессора ГТД за счет более раннего определения начальной стадии помпажа на основе информации о динамике изменения контролируемых параметров. The technical problem solved by the invention is to increase the speed and reliability of the diagnosis of surge compressor GTE due to an earlier determination of the initial stage of surge based on information about the dynamics of change of the controlled parameters.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе диагностики помпажа компрессора газотурбинного двигателя, включающем измерение яркостной температуры Т излучения поверхностей элементов конструкции газотурбинного двигателя, сравнение величины Т с ее пороговым параметром Т_порог, согласно изобретению, дополнительно определяют величину производной первого порядка по времени яркостной температуры излучения dT/dτ, сравнивают ее с пороговым параметром А, и при превышении величин Т и dT/dτ над Т_порог и А соответственно, формируют сигнал о начале помпажа компрессора.The essence of the invention lies in the fact that in the method for diagnosing surging compressor of a gas turbine engine, comprising measuring the brightness temperature T of the radiation of the surfaces of the structural elements of a gas turbine engine, comparing the value of T with its threshold parameter T _threshold , according to the invention, the magnitude of the first-order derivative with respect to time of the brightness temperature radiation dT / dτ, compare it with the threshold parameter A, and when the values of T and dT / dτ exceed T, the _threshold and A, respectively, form a signal about the beginning of surging compressor.

Как следует из графиков а и б на фиг.1 к моменту достижения параметра ΔРк/ΔРк, по которому ранее определяли помпажное состояние двигателя ПС-90А (точка D на графике 1а), параметр Т увеличивался на величину ~130^oС за Δτ≅0,07 с и был равным ~1060^oС. Значение Т превысило Т_порог, при этом величина производной первого порядка по времени dT/dτ достигло значений ≈1770^oС/сек. Как видно из графика 1в, динамика изменения параметра dT/dτ являлась более показательной. Величина dT/dτ для начального этапа помпажа составляет ≤1000^oС/сек, что на порядок превосходит значение dT/dτ≤100^oС/сек, обычно наблюдаемое при штатных (беспомпажных) режимах работы ГТД, например, после резких увеличений режима работы, в том числе приемистостях "Малый газ - Максимальный режим" или иных динамических процессов, связанных с организацией максимальных избытков топлива в камеру сгорания. Такое различие в динамике позволяет безошибочно диагностировать начальный этап помпажа компрессора. Таким образом, критерий dT/dτ является более показательным, чем Т.As follows from graphs a and b in Fig. 1, by the time the ΔРк / ΔРк parameter was reached, according to which the surging state of the PS-90A engine was previously determined (point D in graph 1a), the parameter T increased by ~ 130 ^o С for Δτ≅0 , 07 s and was equal to ~ 1060 ^o С. The value of T exceeded the T _threshold , while the value of the first-order derivative with respect to time dT / dτ reached values ≈1770 ^o С / sec. As can be seen from graph 1c, the dynamics of changes in the parameter dT / dτ was more indicative. The value of dT / dτ for the initial surge stage is ≤1000 ^o C / sec, which is an order of magnitude higher than the value of dT / dτ≤100 ^o C / sec, which is usually observed during standard (non-surge) GTE operation modes, for example, after sharp increases in the operating mode, including injections "Small gas - Maximum mode" or other dynamic processes associated with the organization of maximum excess fuel in the combustion chamber. This difference in dynamics allows you to accurately diagnose the initial stage of surge of the compressor. Thus, the criterion dT / dτ is more indicative than T.

Элементами конструкции ГТД, с поверхности которых осуществляют измерение яркостной температуры Т, могут служить детали компрессора, камеры сгорания, а также турбины, а именно роторные лопатки турбины, и более конкретно - роторные лопатки турбины первой по потоку от камеры сгорания ступени компрессора. The design elements of a gas turbine engine, from the surface of which the brightness temperature T is measured, can be parts of a compressor, a combustion chamber, and also a turbine, namely, rotor blades of a turbine, and more specifically, rotor blades of a turbine of the first compressor stage downstream of the combustion chamber.

Дополнительно, с целью повышения достоверности диагностики целесообразно осуществлять измерение параметра Т по меньшей мере на двух участках поверхности элемента ГТД, что исключает ложные срабатывания, например, при локальной неисправности камеры сгорания. In addition, in order to increase the reliability of diagnostics, it is advisable to measure the parameter T in at least two parts of the surface of the gas-turbine engine element, which eliminates false alarms, for example, with a local malfunction of the combustion chamber.

С целью еще большего повышения быстродействия дополнительно после определения величины dT/dτ осуществляют вычисление производной второго порядка d²T/dτ² (фиг.1г), сравнивают ее значение с соответствующим пороговым параметром В, а сигнал о начале помпажа формируют в случае, когда dT/dτ>А, и/или d²T/dτ²>В, и/или Т>Т_порог, тем самым обеспечивая диагностику не только самого помпажа, но и предпомпажного состояния компрессора ГТД.In order to further improve performance, additionally, after determining the value of dT / dτ, the second-order derivative d ² T / dτ ^{2 is} calculated (Fig. 1d), its value is compared with the corresponding threshold parameter B, and a surge signal is generated when dT / dτ> A, and / or d ² T / dτ ² > B, and / or T> T _threshold , thereby providing diagnostics of not only the surge itself, but also the pre-surge state of the gas turbine compressor.

С целью выявления факта начала помпажа в более широком диапазоне режимов и для различных типов ГТД величину яркостной температуры излучения с поверхностей элементов конструкции газотурбинного двигателя корректируют согласно формуле:
Тr=аТ+bdT/dτ,
где Tr - скорректированная величина яркостной температуры;
a, b - весовые коэффициенты, зависящие от типа двигателя,
затем величину Tr сравнивают с соответствующим пороговым параметром С, при Тr>С формируют сигнал о начале помпажа.In order to identify the fact of the onset of surging in a wider range of modes and for various types of gas turbine engines, the brightness temperature of radiation from the surfaces of the structural elements of a gas turbine engine is adjusted according to the formula:
Tr = aT + bdT / dτ,
where Tr is the adjusted value of the brightness temperature;
a, b - weights, depending on the type of engine,
then the value of Tr is compared with the corresponding threshold parameter C, at Tr> C a signal is formed about the onset of surge.

Представленные на фиг.1а, в графики показывают, что для дополнительного повышения быстродействия и достоверности диагностики помпажа целесообразно дополнительно осуществлять измерение величины давления воздуха за компрессором Р_к и величины производной первого порядка по времени dP_к/dτ, сравнивать значение Р_к с соответствующим пороговым параметром Е, а сигнал о начале помпажа формировать в случае, когда dP_к/dτ>E и dT/dτ>A. При этом величина Е меньше, чем величина D на 30...70%.Presented on figa, in the graphs show that in order to further increase the speed and reliability of the surge diagnosis, it is advisable to additionally measure the air pressure behind the compressor P _k and the value of the first-order derivative with respect to time dP _k / dτ, compare the value of P _k with the corresponding threshold parameter E, and generate a signal about the beginning of a surge in the case when dP _к / dτ> E and dT / dτ> A. Moreover, the value of E is less than the value of D by 30 ... 70%.

Учет теплонапряженности ГТД при диагностике двигателя необходим также для повышения достоверности информации, для чего производные по времени и пороговые параметры корректируют в зависимости от теплонапряженности двигателя. Consideration of the thermal stress of a gas turbine engine during engine diagnostics is also necessary to increase the reliability of information, for which time derivatives and threshold parameters are adjusted depending on the thermal stress of the engine.

Наиболее точные результаты измерения яркостной температуры Т поверхностей элементов конструкции могут быть получены в случае использования фотоэлектрического приемника излучения, работающего в диапазоне волн излучения 0,2. . . 1,2 мкм, в котором чувствительным элементом служит преимущественно кремниевый фотодиод. The most accurate results of measuring the brightness temperature T of the surfaces of structural elements can be obtained in the case of using a photoelectric radiation detector operating in the radiation wavelength range of 0.2. . . 1.2 microns, in which the silicon photodiode is predominantly a sensitive element.

Предлагаемый способ позволяет диагностировать помпаж раньше на 0,02-0,06 сек, чем по известным способам. Этот фактор является решающим при помпажных частотах 8...20 Гц, как обеспечивающий более раннюю диагностику помпажа компрессора. The proposed method allows to diagnose surging earlier by 0.02-0.06 seconds than by known methods. This factor is decisive at surge frequencies of 8 ... 20 Hz, as it provides an earlier diagnosis of compressor surge.

Изобретение иллюстрируется следующими фигурами. The invention is illustrated by the following figures.

На фиг. 1 а, б, в, г, представлены графики зависимости величин контролируемых параметров соответственно Р_к, Т, dT/dτ, d²Т/dτ² от времени (τ) для двигателя ПС-90А.In FIG. 1 a, b, c, d, there are graphs of the dependence of the values of the monitored parameters, respectively, P _k , T, dT / dτ, d ² T / dτ ² versus time (τ) for the PS-90A engine.

На фиг. 2 показана структурная схема, реализующая предлагаемый способ диагностики согласно п.1 формулы изобретения. In FIG. 2 shows a structural diagram that implements the proposed diagnostic method according to claim 1 of the claims.

Блок 1 представляет собой дифференцирующий блок, на вход которого поступает сигнал о величине параметра Т, измеряемого оптическим пирометром. В блоке 1 осуществляется вычисление первой производной по времени параметра Т (dT/dτ). Block 1 is a differentiating block, the input of which receives a signal about the value of the parameter T, measured by an optical pyrometer. In block 1, the first time derivative of the parameter T is calculated (dT / dτ).

Блок 2 представляет собой блок сравнения, который осуществляет сравнение текущего значения Т с его пороговым параметром Т_порог.Block 2 is a comparison block that compares the current value of T with its threshold parameter T _threshold .

В блоке 3 осуществляется сравнение текущего значения dT/dτ с параметром А, представляющим собой пороговое значение параметра dT/dτ при помпаже двигателя. In block 3, the current value of dT / dτ is compared with parameter A, which is the threshold value of the parameter dT / dτ during motor surge.

Логический блок 3 работает по схеме "И". При одновременном наличии на двух входах блока 4 сигналов, поступающих с блоков 2 и 3, на выходе блока 4 формируется сигнал, соответствующий состоянию помпажа компрессора двигателя. Logical block 3 operates according to the "AND" scheme. With the simultaneous presence at the two inputs of block 4 of the signals coming from blocks 2 and 3, a signal corresponding to the surge state of the engine compressor is generated at the output of block 4.

Способ диагностики помпажа компрессора ГТД осуществляется следующим образом. A method for the diagnosis of surge compressor GTE is as follows.

Диагностику проводили на двухроторном газотурбинном авиационном двигателе ПС-90А в натурных условиях (R=16000 кгс; π_к=32; T_сa=1640 К; m=5,2). Двигатель был оборудован двумя оптическими пирометрами типа ОПП-94К-1,25. Принцип и технология работы пирометра на двигателе ПС-90А основаны на восприятии и преобразовании теплового излучения нагретых лопаток первой ступени ротора турбины высокого давления в электрический сигнал. Область спектральной чувствительности фотоприемника (кремниевого фотодиода типа ФД-8К) пирометра составляет 0,4...1,1 мкм.Diagnostics was carried out on a PS-90A twin-rotor gas turbine aircraft engine under natural conditions (R = 16,000 kgf; π _k = 32; T _ca = 1640 K; m = 5.2). The engine was equipped with two optical pyrometers of the OPP-94K-1.25 type. The principle and technology of the pyrometer operation on the PS-90A engine are based on the perception and conversion of the thermal radiation of the heated blades of the first stage of the high-pressure turbine rotor into an electrical signal. The spectral sensitivity range of the photodetector (silicon photodiode type FD-8K) of the pyrometer is 0.4 ... 1.1 μm.

Помпажи задавались:
- перепуском воздуха на вход в одну из промежуточных ступеней компрессора,
- при ветре в сопло со скоростью, превышающей допустимые эксплутационные нормы и т.д.Surge was wondered:
- bypass air at the entrance to one of the intermediate stages of the compressor,
- when the wind into the nozzle at a speed exceeding the permissible operating standards, etc.

При резком изменении режима работы двигателя оптический пирометр фиксирует яркостную температуру излучения Т, сигнал о величине Т из блока 1 поступает на вход блока 2, где осуществляется сравнение текущего значения Т с параметром Т_порог. Дифференцирующий блок 1 осуществляет вычисление производной первого порядка dT/dτ и выдает сигнал на вход блока сравнения 3, в котором идет сравнение текущего значения dT/dτ с пороговым параметром А, определенным для данного типа двигателя ПС-90А (≈1700^oС/сек). В случае превышения текущих значений параметров Т и dT/dτ над их пороговыми параметрами сигналы поступают на вход логического блока 4 "И", который при их наличии посылает сигнал, соответствующий состоянию помпажа компрессора двигателя.With a sharp change in the engine operating mode, the optical pyrometer detects the brightness temperature of radiation T, a signal about the value of T from block 1 is fed to the input of block 2, where the current value of T is compared with the parameter T _threshold . Differentiating unit 1 calculates the first-order derivative dT / dτ and outputs a signal to the input of comparison unit 3, in which the current value of dT / dτ is compared with the threshold parameter A defined for this type of engine PS-90A (≈1700 ^o С / sec) . If the current values of the parameters T and dT / dτ are higher than their threshold parameters, the signals are fed to the input of the logic block 4 "AND", which, if available, sends a signal corresponding to the surge state of the engine compressor.

Эта операция осуществляется за время ~0,02...0,04 сек, что является достаточным для принятия решений о предотвращении помпажа компрессора. This operation is carried out for a time of ~ 0.02 ... 0.04 sec, which is sufficient to make decisions on preventing compressor surge.

Источники информации
1. Автоматический контроль и диагностика систем управления силовыми установками летательных аппаратов, Москва. "Машиностроение", 1989, стр. 102.Sources of information
1. Automatic control and diagnostics of control systems for power plants of aircraft, Moscow. Engineering, 1989, p. 102.

2. Патент РФ 2098668, F 04 D 27/02, 1998 г. 2. RF patent 2098668, F 04 D 27/02, 1998

3. Патент WО 9634207, F 04 D 27/02, 1996 г. 3. Patent WO 9634207, F 04 D 27/02, 1996

4. Патент US 5402632, F 02 С 9/16, 1995 г. 4. Patent US 5402632, F 02 C 9/16, 1995

5. Нестационарные явления в турбомашинах (численное моделирование и эксперимент). Под общей редакцией д.т.н., профессора В.Г. Августиновича, Екатеринбург, 1999, стр. 242. 5. Unsteady phenomena in turbomachines (numerical simulation and experiment). Under the general editorship of Doctor of Technical Sciences, Professor V.G. Augustinovich, Yekaterinburg, 1999, p. 242.

6. Тезисы докладов всесоюзной научной конференции. Методы и средства машинной диагностики газотурбинных двигателей и их элементов, т. 2, Харьков, октябрь, 1980, стр. 221. 6. Abstracts of the All-Union Scientific Conference. Methods and means of machine diagnostics of gas turbine engines and their elements, vol. 2, Kharkov, October, 1980, p. 221.

Claims

1. A method for diagnosing a surge in a compressor of a gas turbine engine, including measuring the brightness temperature T of the radiation of the surfaces of the structural elements of the gas turbine engine, comparing the value of T with its threshold parameter T _threshold , characterized in that the first-order derivative with respect to the time of the brightness temperature of the radiation dT / dτ is additionally determined, compare it with the threshold parameter A and, when the values of T and dT / dτ are higher than T, the _threshold and A respectively generate a signal about the beginning of surge of the compressor.

2. The method according to claim 1, characterized in that the measurement of the brightness temperature of the radiation T is carried out from the surfaces of the turbine parts.

3. The method according to claim 2, characterized in that the measurement of brightness temperature is carried out from the surface of the rotor blades of the turbine.

4. The method according to claim 3, characterized in that the brightness temperature is measured from the surface of the rotor blades of the first turbine stage downstream of the combustion chamber.

5. The method according to claim 1, characterized in that the measurement of brightness temperature is carried out from the surfaces of the parts of the combustion chamber.

6. The method according to claim 1, characterized in that the measurement of brightness temperature is carried out from the surfaces of the compressor parts.

7. The method according to claim 1, characterized in that the measurement of the brightness temperature of the radiation is carried out from two or more parts of the surface of the structural element of a gas turbine engine.

8. The method according to claim 1, characterized in that in addition, after determining the value of dT / dτ, the second-order derivative d ² T / dτ ² is calculated, its value is compared with the corresponding threshold parameter B, and a surge signal is generated when dT / dτ> A, and / or d ² T / dτ ² > B, and / or T> T _threshold .

9. The method according to claim 1, characterized in that the magnitude of the brightness temperature of the radiation from the surfaces of the structural elements of the gas turbine engine is adjusted according to the formula
Tr = aT + bdT / dτ,
where Tr is the adjusted value of the brightness temperature;
a, b - weighting factors, depending on the type of engine,
then the value of Tr is compared with the corresponding threshold parameter C; at Tr> C, a signal is generated about the onset of surge.

10. The method according to p. 1, characterized in that they additionally measure the air pressure behind the compressor Rk, determine the value of the first-order derivative with respect to time dPк / dτ, compare its value with the corresponding threshold parameter E, and generate a signal about the start of surge if when dPк / dτ> E and dТ / dτ> A.

11. The method according to claims 1-10, characterized in that the weight coefficients, time derivatives and / or threshold parameters are adjusted depending on the thermal stress of the engine.

12. The method according to claim 1, characterized in that the measurement of the brightness temperature of the radiation is carried out in the radiation wavelength range of 0.2-1.2 μm.

13. The method according to p. 12, characterized in that the measurement of the brightness temperature of the radiation is carried out by a photoelectric or thermal radiation receiver.

14. The method according to item 13, wherein the silicon photodiode is predominantly used as a sensitive element of the photoelectric radiation detector.