RU2245491C2 - Method and device for monitoring combustion conditions in gas-turbine power unit - Google Patents
Method and device for monitoring combustion conditions in gas-turbine power unit Download PDFInfo
- Publication number
- RU2245491C2 RU2245491C2 RU2002113378/06A RU2002113378A RU2245491C2 RU 2245491 C2 RU2245491 C2 RU 2245491C2 RU 2002113378/06 A RU2002113378/06 A RU 2002113378/06A RU 2002113378 A RU2002113378 A RU 2002113378A RU 2245491 C2 RU2245491 C2 RU 2245491C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas turbine
- signals
- gas
- monitoring
- modes
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Testing Of Engines (AREA)
- Control Of Turbines (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к авиационной, газовой и электроэнергетической отраслям техники и может быть использовано для контроля пламени и режимов горения в газотурбинных установках электроэнергетических и газоперекачивающих систем, а также режимов горения в авиационных двигателях.The invention relates to the aviation, gas and electric power engineering industries and can be used to control flame and combustion modes in gas turbine units of electric and gas pumping systems, as well as combustion modes in aircraft engines.
Режимы горения в газотурбинных установках (ГТУ) могут быть установившиеся и неустановившиеся. К установившимся режимам относятся режимы работы ГТУ с фиксированной мощностью, когда основные параметры процесса горения в течение длительного времени практически не меняются. К неустановившимся относятся режимы запуска, останова, регулирования. Высокая энергонапряженность процессов в камере сгорания ГТУ оказывает существенное влияние на протекание неустановившихся режимов горения, на возбуждение в камере сгорания колебательных процессов. Системы контроля режимов горения при измерении параметров в теплонапряженных режимах должны обладать высоким быстродействием для своевременной сигнализации об аварийных ситуациях и работать как в установившихся, так и неустановившихся режимах эксплуатации.The combustion modes in gas turbine units (GTU) can be steady and unsteady. Steady-state regimes include GTU operating modes with a fixed power, when the main parameters of the combustion process practically do not change for a long time. Unsteady modes include start, stop, regulation. The high energy intensity of the processes in the gas turbine combustion chamber has a significant effect on the occurrence of transient combustion modes, on the excitation of oscillatory processes in the combustion chamber. The systems for monitoring combustion conditions when measuring parameters in heat-stressed modes should have high speed for timely alarm signaling in emergency situations and work both in steady-state and non-steady-state operating modes.
Известны способы контроля режима горения в ГТУ путем измерения температуры высокотемпературного газового потока в газовых трактах. Известен калориметрический способ измерения температуры газового потока с отбором нагретого газа на выходе из камеры сгорания или на входе в турбину турбореактивного двигателя путем измерения температуры охлаждающего воздуха (см. [1], с.18-19, а также пат. США №3769792).Known methods of controlling the combustion mode in a gas turbine by measuring the temperature of a high-temperature gas stream in gas paths. A known calorimetric method for measuring the temperature of the gas stream with the selection of heated gas at the outlet of the combustion chamber or at the entrance to the turbine of a turbojet engine by measuring the temperature of the cooling air (see [1], p.18-19, as well as US Pat. No. 3769792).
Однако такой способ контроля является косвенным. Калориметрический датчик связан с газовоздушным трактом турбореактивного двигателя через отверстие в корпусе ГТУ, что снижает его конструктивную надежность.However, this method of control is indirect. The calorimetric sensor is connected to the gas-air path of the turbojet engine through an opening in the gas turbine engine housing, which reduces its structural reliability.
Известен акустический способ измерения температуры в высокотемпературных трактах ГТУ с использованием струйных датчиков (см. [1], с.17-18), в которых используется зависимость частоты непрерывных акустических колебаний объемного резонатора датчика от температуры поступающего через заборник высокотемпературного газа, ответвленного из основного потока ГТУ.A known acoustic method for measuring temperature in high-temperature gas turbine tracts using inkjet sensors (see [1], pp. 17-18), which uses the dependence of the frequency of continuous acoustic oscillations of the volumetric cavity of the sensor on the temperature of the high-temperature gas entering through the intake, branched from the main stream GTU.
Недостатком способа контроля режима горения в ГТУ с использованием струйного датчика является косвенный контактный характер измерений, при котором часть высокотемпературного газа отводится через заборник (контакт) в резонансную полость струйного датчика и там автономно анализируется независимыми от процесса горения в газовом тракте ГТУ методами. При этом связь параметров акустических колебаний в резонаторе датчика с температурой газового потока в тракте ГТУ является косвенной. Врезка датчика в конструкцию ГТУ снижает ее надежность.The disadvantage of the method of controlling the combustion mode in a gas turbine using a jet sensor is the indirect contact nature of the measurements, in which part of the high-temperature gas is discharged through the intake (contact) into the resonant cavity of the jet sensor and there it is autonomously analyzed by methods independent of the combustion process in the gas channel of the gas turbine. In this case, the relationship of the parameters of acoustic vibrations in the resonator of the sensor with the temperature of the gas stream in the gas turbine path is indirect. Insertion of the sensor into the design of the gas turbine reduces its reliability.
Известно, что в ГТУ при их функционировании возбуждаются акустические колебания, источником которых является процесс горения непосредственно в их камерах сгорания. Поэтому параметры этих колебаний напрямую связаны с процессами горения и характеризуют режим горения в ГТУ, а результаты их измерений могут быть использованы для контроля режима горения в ГТУ (см., например, [2], с.368-370, 464-466 и др.). При этом устройство осуществления способа контроля режима горения в ГТУ может быть выполнено на элементах струйного датчика путем введения пьезоэлектрического преобразователя непосредственно в высокотемпературный газовый тракт ГТУ в области камеры сгорания и последующего использования получаемых сигналов при воздействии акустических колебаний на пьезоэлемент для контроля режима горения в ГТУ.It is known that in gas turbines during their functioning acoustic vibrations are excited, the source of which is the combustion process directly in their combustion chambers. Therefore, the parameters of these oscillations are directly related to the combustion processes and characterize the combustion regime in gas turbines, and the results of their measurements can be used to control the combustion regime in gas turbines (see, for example, [2], pp. 368-370, 464-466, etc. .). At the same time, the device for implementing the method of controlling the combustion mode in a gas turbine can be performed on the elements of an inkjet sensor by introducing a piezoelectric transducer directly into the high-temperature gas path of a gas turbine in the area of the combustion chamber and then using the received signals when acoustic vibrations affect the piezoelectric element to control the combustion mode in a gas turbine.
Однако при этом также используется контактное устройство контроля режима горения. Поэтому струйный датчик является только аналогом заявляемого устройства осуществления способа контроля режима горения, недостатки которого заключаются в конструктивной ненадежности, особенно при его встраивании в высокотемпературные тракты ГТУ и использовании в теплонапряженных режимах. Кроме того, системы контроля, основанные на измерении температуры, инерционны и непригодны для высокочастотных измерений, характерных для высокотемпературных процессов в камере сгорания ГТУ.However, this also uses a contact device for monitoring the combustion mode. Therefore, the jet sensor is only an analogue of the inventive device for implementing a method of monitoring the combustion mode, the disadvantages of which are structural unreliability, especially when it is embedded in high-temperature paths of a gas turbine and used in heat-stressed modes. In addition, control systems based on temperature measurements are inertial and unsuitable for high-frequency measurements characteristic of high-temperature processes in a gas turbine combustion chamber.
Известны более быстродействующие электрофизические способы контроля режимов функционирования РД, которые можно использовать в камерах сгорания ГТУ и которые основаны на регистрации токов эмиссии электрических зарядов и измерении собственных магнитных полей истекающих высокотемпературных газовых струй (см., например, патент США №4587614, кл. G 08 В 29/00, 1986 г., А.с. СССР №538312, кл. G 01 R 33/02, 1975 г., А.с. СССР №1778715, кл. G 01 R 33/02, 1992 г., А.с. СССР №2145718, кл. G 01 R 33/02, 2000 г. и др.)Known are faster electrophysical methods for controlling the operating modes of taxiways, which can be used in gas turbine combustion chambers and which are based on recording electric charge emission currents and measuring their own magnetic fields of expiring high-temperature gas jets (see, for example, US patent No. 4587614, class G 08 On 29/00, 1986, A.S. USSR No. 538312, class G 01 R 33/02, 1975, A.S. USSR No. 17878715, class G 01 R 33/02, 1992 , A.S. USSR No. 2145718, class G 01 R 33/02, 2000, etc.)
Из известных способов близким по технической сущности к заявляемому является способ контроля режимов функционирования реактивного двигателя (РД) по авторскому свидетельству А.с. №1778715, кл. G 01 R, 33/02, 1992 г. под названием “Способ измерений токов в плазме” [3].Of the known methods close in technical essence to the claimed is a method of controlling the operating modes of a jet engine (RD) according to the copyright certificate of A.S. No. 17778715, cl. G 01 R, 33/02, 1992 under the name “Method for measuring currents in plasma” [3].
Известный способ заключается в том, что контроль режима функционирования РД осуществляют путем измерения сигналов электродвижущей силы (ЭДС) индукции, возникающей при взаимодействии электронной компоненты высокотемпературного газового потока двигателя с чувствительным элементом, помещенного на поверхность сопла магнитного зонда, с последующим сравнением измеренных сигналов с эталонными. Измерения проводят с помощью кольцевого магнитного датчика, чувствительный элемент которого при измерении перемещают вдоль оси сопла двигателя, определяя оптимальные условия для обнаружения аномальных режимов, характеризующих разрушение целостности элементов конструкции внутри высокотемпературного газового тракта. Размещение кольцевого магнитного датчика вдали от камеры сгорания двигателя снижает его чувствительность к сигналам, характеризующим режимы горения внутри камеры сгорания, что, однако, исключает возможность эффективного использования этого аналога в заявленном способе контроля режима горения в ГТУ.The known method is that the control of the operating mode of the taxiway is carried out by measuring the signals of the electromotive force (EMF) of the induction arising from the interaction of the electronic component of the high-temperature gas stream of the engine with a sensitive element placed on the surface of the nozzle of the magnetic probe, followed by comparison of the measured signals with the reference ones. The measurements are carried out using an annular magnetic sensor, the sensitive element of which is moved along the axis of the engine nozzle during measurement, determining the optimal conditions for detecting abnormal conditions characterizing the destruction of the integrity of structural elements inside the high-temperature gas path. Placing the annular magnetic sensor far from the combustion chamber of the engine reduces its sensitivity to signals characterizing the combustion regimes inside the combustion chamber, which, however, precludes the possibility of efficient use of this analog in the claimed method of controlling the combustion mode in a gas turbine.
Изобретение [3] направлено на обнаружение целостности элементов конструкции РД и определение начала разрушения двигателя. Это событие объективно носит случайный характер. Разрушение двигателя в отличие от штатных режимов функционирования, диагностируемых в заявленном техническом решении, может наступить, а может и не наступить. А штатные режимы функционирования РД при выполнении определенных условий наступают всегда, хотя наступление аварийных ситуаций в контролируемых режимах также является случайным событием. Обнаружение нарушения целостности элементов конструкции в [3] основано на существенном отличии потенциалов ионизации характерных частиц газового потока (Ео газ ~ 13,6 эВ) от потенциалов ионизации конструкционных материалов (Ео мат ~ 6,8-7,6 эВ). Появление в потоке частиц конструкционных материалов увеличивает амплитуду измеряемых сигналов, например, в 2 раза, что позволяет надежно контролировать нарушение целостности элементов конструкции двигателя. Кроме того, для регистрации импульсных измерительных сигналов при учете случайности их появления требуется применение в регистрирующей аппаратуре широкополосных (полосовых) усилителей-преобразователей, что обеспечит необходимое превышение полезного сигнала над помехой, в разряд которой попадают также сигналы о штатном функционировании ГТУ, заявляемые согласно данному техническому решению.The invention [3] is aimed at detecting the integrity of the structural elements of the taxiway and determining the beginning of the destruction of the engine. This event is objectively random. The destruction of the engine, in contrast to the normal operating modes diagnosed in the claimed technical solution, may or may not occur. And regular modes of taxiway operation when certain conditions are met always occur, although the onset of emergency situations in controlled modes is also a random event. The detection of a violation of the integrity of structural elements in [3] is based on a significant difference between the ionization potentials of characteristic particles of the gas stream (E about gas ~ 13.6 eV) and the ionization potentials of structural materials (E about mat ~ 6.8-7.6 eV). The appearance of structural materials in the particle stream increases the amplitude of the measured signals, for example, by 2 times, which allows reliable control of the violation of the integrity of the structural elements of the engine. In addition, for recording pulse measuring signals, taking into account the randomness of their occurrence, it is necessary to use broadband (strip) amplifiers-converters in the recording equipment, which will provide the necessary excess of the useful signal over the interference, which also includes signals about the normal functioning of the gas turbine, declared according to this technical decision.
Поэтому недостатком аналога-способа является недостаточная чувствительность магнитного зонда к измерению высокочастотных колебаний, возбуждаемых внутри камеры сгорания и характеризующих различные режимы функционирования ГТУ.Therefore, the disadvantage of the analogue method is the lack of sensitivity of the magnetic probe to measure high-frequency oscillations excited inside the combustion chamber and characterizing various modes of operation of the gas turbine.
Устройство для осуществления способа [3] можно рассматривать как аналог заявляемого устройства для осуществления способа контроля режима горения в ГТУ. В аналоге магнитным зондом в виде измерительного контура охватывают расширяющуюся проточную часть сопла РД и подсоединяют с помощью коммутационной линии к аппаратуре, позволяющей производить анализ измеренных сигналов ЭДС индукции во временной и частотной области. В силу вышеприведенной характеристики формируемых вдали от камеры сгорания (КС) импульсных сигналов усилительно-преобразовательная аппаратура должна быть широкополосной. При этом формирование сигналов вдали от КС позволяет снизить уровень помех от сигналов, обусловленных процессами в высокотемпературном газовом потоке непосредственно в КС, в том числе от сигналов, характеризующих штатные режимы функционирования РД.A device for implementing the method [3] can be considered as an analogue of the claimed device for implementing the method of monitoring the combustion mode in gas turbine. In analogue, a magnetic probe in the form of a measuring circuit covers the expanding flow part of the RD nozzle and is connected using a switching line to equipment that allows the analysis of the measured signals of induction EMF in the time and frequency domain. Due to the above characteristics, pulse signals generated far from the combustion chamber (CS) amplification-conversion equipment should be broadband. At the same time, the formation of signals far from the CS allows one to reduce the level of interference from signals caused by processes in the high-temperature gas flow directly in the CS, including from signals characterizing normal operating modes of the taxiway.
Таким образом, способ [3] и устройство для его осуществления как аналоги заявляемых технических решений не могут обеспечить достаточную чувствительность измерения сигналов ЭДС индукции, характеризующих штатные режимы функционирования, и не могут привлекаться для разработки средств и методов контроля режимов горения в ГТУ.Thus, the method [3] and the device for its implementation as analogues of the claimed technical solutions cannot provide sufficient sensitivity for measuring the emf signals of induction, characterizing normal operating modes, and cannot be involved in the development of tools and methods for monitoring combustion modes in gas turbines.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого способа контроля режима горения ГТУ является “Способ диагностики аномальных режимов функционирования реактивных двигателей” [4], основанный на диагностировании режимов функционирования РД измерениями во внешней области с помощью датчиков-антенн локальных значений параметров электрических и магнитных полей внутри высокотемпературного газового потока и на последующем сравнении измеряемых сигналов с эталонными. При этом контролируемое пространство вокруг двигателя разбивают на n(n>1) поперечных или продольных сечений, в каждом сечении вблизи внешней поверхности двигателя устанавливают к(к>1) трехкомпонентных (векторных) датчиков (антенны) и измеряют ими три ортогональных компоненты электрических и три ортогональных компоненты магнитных полей, обусловленные электрическими разрядами и токами в высокотемпературной электропроводной среде реактивной струи. Кроме того, измеряют соответствующие параметры сигналов помехового воздействия и параметры функционирования двигателя.The closest analogue (prototype) of the proposed method for monitoring the combustion mode of a gas turbine engine is the “Method for diagnosing anomalous operating modes of jet engines” [4], based on the diagnosis of operating modes of taxiways by measurements in the external region using sensor antennas of local values of the parameters of electric and magnetic fields inside the high-temperature gas flow and the subsequent comparison of the measured signals with the reference. In this case, the controlled space around the engine is divided into n (n> 1) transverse or longitudinal sections, in each section near the outer surface of the engine, three (vector) sensors (antennas) are installed to (k> 1) and three orthogonal electrical components and three are measured orthogonal components of magnetic fields due to electric discharges and currents in a high-temperature electrically conductive medium of a jet stream. In addition, measure the corresponding parameters of the signals of the interference effect and the parameters of the engine.
После этого измерения заканчиваются и начинается обработка результатов измерений стандартной подсистемной обработки сигналов, в состав которой входит персональный компьютер (ПЭВМ). Далее в колонке 10 четвертый абзац (см. [4]) написано: “Обработку данных осуществляют расчетами амплитудных спектров измеряемых сигналов... Расчетные зависимости, хранящиеся в памяти внешнего запоминающего устройства, преобразуют в соответствующие напряжения сигналов, а затем сравнивают с уровнями эталонных сигналов”. Согласно Правилам [7] п.2.2 “Не признаются изобретениями методы выполнения умственных операций, алгоритмы и программы для вычислительных машин”. Следовательно, расчетные операции по определению амплитудных спектров измеряемых сигналов в [4] не могут быть противопоставлены амплитудным спектрам, полученным путем измерений. Проводят расчетный спектральный анализ результатов измерений, определяют взаимные спектральные корреляционные характеристики между компонентами сигналов одинаковой ориентации для каждой пары датчиков двух соседних сечений, а также между компонентами сигналов каждого датчика и сигналами параметров рабочего процесса двигателя. Выявляют спектральные составляющие аномальных (эрозионных) процессов в заданных диапазонах частот для различных режимов и временных интервалов.After this measurement ends and processing of the measurement results of the standard subsystem signal processing, which includes a personal computer (PC), begins. Then, in column 10, the fourth paragraph (see [4]) says: “Data processing is performed by calculating the amplitude spectra of the measured signals ... The calculated dependences stored in the memory of the external storage device are converted into the corresponding signal voltages, and then compared with the levels of the reference signals " According to the Rules [7] p.2.2 “Methods of performing mental operations, algorithms and programs for computers are not recognized by inventions”. Therefore, the calculation operations for determining the amplitude spectra of the measured signals in [4] cannot be opposed to the amplitude spectra obtained by measurements. A calculated spectral analysis of the measurement results is carried out, mutual spectral correlation characteristics are determined between the components of the signals of the same orientation for each pair of sensors of two adjacent sections, as well as between the components of the signals of each sensor and the signals of the engine workflow parameters. The spectral components of abnormal (erosion) processes in the specified frequency ranges for various modes and time intervals are revealed.
Из приведенного неполного перечня из формулы изобретения всех необходимых измерений и сложного последующего расчетного анализа спектральных корреляционных регрессивных зависимостей между интенсивностями аномальных (эрозионных) процессов и параметрами функционирования двигателя следует, что измерения удовлетворяют требованиям научного исследования вероятностных процессов в высокотемпературных газовых трактах двигателя, но являются избыточными и неэффективными для оперативного контроля штатных режимов горения в КС РД и ГТУ, что очевидно из блок-схемы на фиг.1 и фиг.2 и результатов спектрального анализа на фиг.3, представленных в [4]. Информация на фиг.1, фиг.2 и фиг.3 позволяет установить, что способ диагностики режимов функционирования в [4] наиболее близок по технической сущности и привлекаемым техническим средствам заявляемому способу контроля режима горения в ГТУ и устройству для его осуществления. Поэтому [4] может быть выбран в качестве комплексного прототипа заявляемого технического решения. Действительно, как следует из фиг.1 и фиг.2, магнитные антенны-зонды могут быть установлены вблизи камеры сгорания и могут зарегистрировать сигналы функционирования ГТУ как в штатном, ток и в аварийном режимах. Однако в соответствии с идеологией [4] значительная часть оборудования в заявляемом техническом решении оказывается не востребованной (см. фиг.1 в [4]), а полученные сигналы из-за широкополосной регистрации содержат сумму (“кашу”) из аварийных и нормальных сигналов (см. фиг.3 в [4]), которую можно разобрать только с помощью заявляемого технического решения. Более подробно это представлено в описании устройства прототипа.From the above incomplete list from the claims of all the necessary measurements and the complex subsequent computational analysis of the spectral correlation regression dependencies between the intensities of the anomalous (erosion) processes and the engine functioning parameters it follows that the measurements satisfy the requirements of a scientific study of probabilistic processes in high-temperature gas paths of the engine, but are redundant and ineffective for the operational control of standard combustion modes in the CS of the RD and GTU, which it is obvious from the block diagram of figure 1 and figure 2 and the results of spectral analysis in figure 3, presented in [4]. The information in FIG. 1, FIG. 2 and FIG. 3 allows us to establish that the method for diagnosing operating modes in [4] is the closest in technical essence and technical means involved to the claimed method for controlling the combustion mode in a gas turbine and a device for its implementation. Therefore, [4] can be selected as a complex prototype of the claimed technical solution. Indeed, as follows from figure 1 and figure 2, the magnetic antenna probes can be installed near the combustion chamber and can register the signals of the operation of the gas turbine in normal, current and emergency conditions. However, in accordance with the ideology [4], a significant part of the equipment in the claimed technical solution is not in demand (see Fig. 1 in [4]), and the received signals due to broadband recording contain the sum (“mess”) from the alarm and normal signals (see figure 3 in [4]), which can be disassembled only using the proposed technical solution. This is presented in more detail in the description of the prototype device.
Из известных устройств для осуществления бесконтактного способа контроля режима горения в ГТУ наиболее близким по технической сущности является устройство осуществления “Способа диагностики аномальных режимов функционирования реактивных двигателей” по А.с. СССР №145718, кл. G 01 R 33/02 по заявке №991008831/09 от 21.01.1999 г., Бюл. №5 от 20.02.2000 г. [4], которое может быть выбрано в качестве прототипа заявляемого устройства. Устройство-прототип [4] содержит магнитный зонд, чувствительный элемент которого размещен на поверхности корпуса РД и выполнен в виде трехкомпонентного датчика магнитных полей (трехканального магнитного зонда), связанного с системой диагностики, состоящей из подсистемы измерений, подсистемы обработки сигналов и подсистемы аварийной защиты РД. При этом подсистема измерений включает трехкомпонентные датчики (зонды) электрических и магнитных полей, датчики параметра, определяющего рабочий процесс РД, и широкополосные усилители-преобразователи сигналов датчиков. Подсистема обработки сигналов включает в себя аналогово-цифровые и цифроаналоговые преобразователи сигналов, оперативные и внешние запоминающие устройства, персональный компьютер и др. Обработку данных осуществляют расчетами амплитудных спектров измеряемых сигналов, выявляют спектральные составляющие аномальных (эрозионных) процессов в заданных диапазонах частот для различных режимов функционирования РД. Расчетные зависимости преобразуют в соответствующие напряжения сигналов, а затем сравнивают с уровнем эталонных (прогнозируемых) сигналов и судят об интенсивности и координатах начала возникновения разрушения и об обусловивших это разрушение параметрах и режимах функционирования РД (см. [4] и [7]). В результате в подсистеме аварийной защиты формируют управляющий сигнал в блок управления РД для блокирования аномальных режимов функционирования РД.Of the known devices for implementing a non-contact method for monitoring the combustion mode in gas turbines, the closest in technical essence is the device for implementing the “Method for diagnosing abnormal modes of functioning of jet engines” according to A.S. USSR No. 145718, cl. G 01 R 33/02 according to the application No. 991008831/09 of 01/21/1999, bull. No. 5 from 02.20.2000, [4], which can be selected as a prototype of the claimed device. The prototype device [4] contains a magnetic probe, the sensitive element of which is located on the surface of the taxiway housing and is made in the form of a three-component magnetic field sensor (three-channel magnetic probe) associated with a diagnostic system consisting of a measurement subsystem, a signal processing subsystem, and an emergency protection subsystem . In this case, the measurement subsystem includes three-component sensors (probes) of electric and magnetic fields, sensors of the parameter that determines the working process of the taxiway, and broadband amplifiers-converters of sensor signals. The signal processing subsystem includes analog-to-digital and digital-to-analog signal converters, operational and external storage devices, a personal computer, etc. Data processing is performed by calculating the amplitude spectra of the measured signals, identifying the spectral components of the anomalous (erosion) processes in the given frequency ranges for various operating modes RD. The calculated dependences are converted into the corresponding signal voltages, and then compared with the level of the reference (predicted) signals and judged about the intensity and coordinates of the onset of failure and the parameters and modes of the RD functioning that caused this destruction (see [4] and [7]). As a result, a control signal is generated in the emergency protection subsystem to the taxiway control unit to block the anomalous taxiway operating modes.
Таким образом, подсистема аварийной защиты для обеспечения безаварийного функционирования РД связана с блоками управления режимом РД и подсистемой обработки сигналов. Далее для краткости изложения из системы диагностики выделен трехканальный магнитный зонд, а оставшаяся часть получила обобщающее название - контрольно-испытательная аппаратура (КИА). Такое название известно и используется в других технических решениях (см., например, А.с. СССР №103543; №123905; №150859 и др., используемых в устройствах контроля и испытания электрореактивных двигателей).Thus, the emergency protection subsystem for ensuring trouble-free operation of the taxiway is connected with the control units of the taxiway mode and the signal processing subsystem. Then, for brevity, a three-channel magnetic probe was selected from the diagnostic system, and the rest was given a generalized name - control and testing equipment (KIA). This name is known and used in other technical solutions (see, for example, A.S. USSR No. 103543; No. 123905; No. 150859 and others used in devices for monitoring and testing electric reactive engines).
Недостатком прототипа - устройства на основе магнитного зонда и сопряженной с магнитным зондом контрольно-испытательной аппаратуры является недостаточная чувствительность к измерению высокочастотных электромагнитных колебаний, возбуждаемых внутри камеры сгорания и характеризующих различные режимы горения.The disadvantage of the prototype is a device based on a magnetic probe and associated with a magnetic probe control and testing equipment is the lack of sensitivity to measure high-frequency electromagnetic waves excited inside the combustion chamber and characterizing various combustion modes.
Действительно, магнитный зонд, используемый в заявляемом техническом решении, в прототипе согласно фиг.1 [4] связан с подсистемой обработки сигналов через полосовые (широкополосные усилители-преобразователи), которые не могут селективно (избирательно) на заданной частоте выделять узкополосные высокочастотные сигналы, характеризующие заданные штатные режимы функционирования ГТУ. Поэтому такие узкополосные сигналы не могут быть обработаны в подсистеме обработки сигналов и использованы в подсистеме аварийной защиты РД, как это предусмотрено в [4]. Поэтому контрольно-испытательная аппаратура в заявляемом техническом решении должна иметь иное функциональное строение.Indeed, the magnetic probe used in the claimed technical solution in the prototype according to figure 1 [4] is associated with a subsystem for processing signals through strip (broadband amplifier converters), which cannot selectively (selectively) at a given frequency to select narrow-band high-frequency signals characterizing predetermined regular operating modes of gas turbines. Therefore, such narrowband signals cannot be processed in the signal processing subsystem and used in the emergency protection subsystem of the taxiway, as provided in [4]. Therefore, the test equipment in the claimed technical solution must have a different functional structure.
Задачей изобретения является повышение чувствительности измерения высокочастотных колебаний электропроводной компоненты газового потока для характеристики различных режимов горения в камере сгорания ГТУ.The objective of the invention is to increase the sensitivity of the measurement of high-frequency oscillations of the electrically conductive components of the gas stream to characterize various combustion modes in the combustion chamber of a gas turbine.
Для решения поставленной технической задачи в способе контроля режима горения в ГТУ, заключающемся в измерении сигналов электродвижущей силы (ЭДС), индукции, возникающей при взаимодействии электропроводной компоненты высокотемпературного газового потока с чувствительным элементом магнитного зонда, размещенного на поверхности корпуса ГТУ, и сравнении измеряемых сигналов с эталонными, при измерении сигналов ЭДС индукции селективно выделяют компоненты сигнала, обусловленные колебаниями электропроводной компоненты высокотемпературного газового потока при зажигании газа в камере сгорания (КС) ГТУ и характерные для режима запуска ГТУ, режимов функционирования ГТУ с фиксированной мощностью и для аварийных режимов, проводят их сравнение с эталонными сигналами и устанавливают соответствие контролируемого режима норме. При этом эталонные сигналы аналогично получают путем измерения сигналов ЭДС индукции и селективного выделения компонентов сигнала при функционировании ГТУ в соответствующих режимах в процессе пуско-наладочных испытаний ГТУ и воспроизводят при эксплуатации ГТУ путем их формирования в качестве эталонных сигналов соответственно для контроля режима запуска ГТУ, режимов функционирования ГТУ с фиксированной мощностью и для контроля аварийных режимов функционирования ГТУ.To solve the technical problem in the method of controlling the combustion mode in a gas turbine, which consists in measuring the electromotive force (EMF) signals, induction arising from the interaction of the electrically conductive components of a high-temperature gas flow with a sensitive element of a magnetic probe located on the surface of the gas turbine, and comparing the measured signals with When measuring signals of induction emf, the reference ones selectively isolate signal components due to oscillations of the electrically conductive components of the high-temperature gas flow during gas ignition in the combustion chamber (CS) of gas turbine engines and typical for the gas turbine engine start-up mode, gas turbine engine operating modes with fixed power and emergency modes, they are compared with reference signals and the compliance of the controlled mode with the norm is established. In this case, the reference signals are likewise obtained by measuring the EMF signals of induction and the selective isolation of the signal components during the operation of the gas turbine in the corresponding modes during commissioning tests of the gas turbine and reproduced during operation of the gas turbine by generating them as reference signals, respectively, to control the start-up state of the gas turbine, operating modes GTU with fixed power and for monitoring emergency modes of GTU operation.
Дополнительно в способе контроля режима горения в ГТУ при контроле запуска ГТУ определяют момент зажигания газа в КС ГТУ по появлению при выделении характерных компонент сигнала запуска доминирующей компоненты с минимальной частотой fпред.мин, которую определяют при сравнении с эталонным сигналом, полученным в процессе испытания запуска при пуско-наладочных испытаниях ГТУ.Additionally, in the method of controlling the combustion mode in a gas turbine when controlling the start of a gas turbine, the moment of gas ignition in the gas turbine engine is determined by the appearance of the dominant component with a minimum frequency f premin , which is determined when comparing with the reference signal obtained during the start test during commissioning tests of gas turbines.
Дополнительно в способе контроля режима горения в ГТУ при контроле различных уровней мощности функционирования ГТУ в процессе пуско-наладочных испытаний устанавливаются фиксированные уровни мощности, для которых путем измерения сигналов ЭДС индукции и последующего селективного выделения определяют соответствующие этим фиксированным мощностям частоты и уровни компонентов сигнала ЭДС индукции, которые используют в качестве эталонных сигналов при установлении и контроле данного режима горения в процессе эксплуатации ГТУ.Additionally, in the method of monitoring the combustion mode in a gas turbine while monitoring various levels of gas turbine operating power during commissioning tests, fixed power levels are established for which, by measuring the induction emf signals and subsequent selective extraction, the frequencies and levels of the induction emf signal components corresponding to these fixed powers are determined, which are used as reference signals in the establishment and control of this combustion mode during operation of a gas turbine.
Для решения поставленной технической задачи в устройство для осуществления способа контроля режима горения в ГТУ, содержащее размещенный на поверхности корпуса ГТУ магнитный зонд и связанную с блоками запуска и управления ГТУ контрольно-испытательную аппаратуру, дополнительно введены три канала селекции сигналов магнитного зонда и блок анализа, при этом каждый канал селекции состоит из последовательно соединенных блока спектральной селекции, схемы сравнения и блока формирования эталонных сигналов, входы блоков спектральной селекции подключены к соответствующим выходам магнитного зонда, выходы блоков спектральной селекции подключены к первым входам схем сравнения, вторые входы которых подключены к выходам соответствующих блоков формирования эталонных сигналов, а входы схем сравнения через блок анализа связаны со входами контрольно-испытательной аппаратуры, выходы которой через блок анализа связаны со входами соответствующих блоков формирования эталонных сигналов.To solve the technical problem, the device for implementing the method of monitoring the combustion mode in a gas turbine, containing a magnetic probe located on the surface of the gas turbine housing and connected to the gas turbine start-up and control units, has additionally introduced three channels for selecting magnetic probe signals and an analysis unit, this, each selection channel consists of series-connected spectral selection unit, a comparison circuit and a unit for generating reference signals, inputs of spectral selection units and connected to the corresponding outputs of the magnetic probe, the outputs of the spectral selection blocks are connected to the first inputs of the comparison circuits, the second inputs of which are connected to the outputs of the corresponding blocks for generating reference signals, and the inputs of the comparison circuits through the analysis block are connected to the inputs of the control and testing equipment, the outputs of which are through the block analysis associated with the inputs of the respective blocks of the formation of the reference signals.
Разработанные бесконтактный способ контроля режимов зажигания и горения в ГТУ на основе измерения параметров электрофизических полей и устройство для его осуществления позволяют с помощью накладных магнитных датчиков (зондов) контролировать режимы функционирования ГТУ, например, при ее использовании в авиационных газотурбинных двигателях (ГТД) [5]. Известна методика автоматизированной проверки работоспособности ГТД в условиях эксплуатации с учетом того, что работоспособность двигателя может быть охарактеризована параметрами переходных процессов, которые претерпевают значительные изменения в зависимости от наработки. При этом форма переходных процессов и их длительность у одного и того же типа двигателей, установленных на однотипных летательных аппаратах, могут существенно различаться. Поэтому эталонные сигналы, устанавливаемые в предлагаемом способе для сравнения с фактически измеренными сигналами, пригодны для контроля режимов зажигания и горения только при условиях их систематического подтверждения на различных предварительных (предполетных) испытаниях с использованием автоматизированных систем контроля ГТД (АСК) (см. [5], с.179-215).The non-contact method for controlling the ignition and combustion modes in gas turbine engines based on measuring the parameters of electrophysical fields and a device for its implementation allow using the magnetic sensors (probes) to control the gas turbine engine operating modes, for example, when it is used in aircraft gas turbine engines (gas turbine engines) [5] . A well-known technique for the automated verification of GTE operability under operating conditions is given that the engine can be characterized by transient parameters that undergo significant changes depending on the operating time. Moreover, the form of transient processes and their duration for the same type of engines installed on the same type of aircraft can vary significantly. Therefore, the reference signals established in the proposed method for comparison with actually measured signals are suitable for monitoring ignition and combustion modes only under conditions of their systematic confirmation in various preliminary (pre-flight) tests using automated gas turbine engine control systems (ASC) (see [5] , p. 179-215).
Сущность способа контроля режима горения в ГТУ и устройства для его осуществления иллюстрирует функциональная блок-схема на фиг.1 и эпюры спектра доминирующих частот сигналов ЭДС индукции магнитного зонда при различных фиксированных режимах ГТУ на фиг.2. При этом на фиг.2 представлены эпюры сигналов ЭДС индукции магнитного зонда после спектрального выделения: по оси Х представлены частоты спектральных составляющих, по оси У - амплитудные составляющие в вольтах (В), стрелками на каждой эпюре показаны уровни мощности ГТУ в киловаттах (кВт).The essence of the method of controlling the combustion mode in a gas turbine and the device for its implementation is illustrated by the functional block diagram in FIG. At the same time, Fig. 2 shows the plots of the EMF signals of the magnetic probe induction after spectral extraction: the X-axis shows the frequencies of the spectral components, the Y-axis shows the amplitude components in volts (V), the arrows on each diagram show the levels of gas turbine power in kilowatts (kW) .
Согласно фиг.1 устройство для осуществления способа контроля режима горения в ГТУ состоит из ГТУ1, компрессора 2, камеры сгорания 3 со свечами зажигания 4, турбины 5, камеры дожигания 6, выходного сопла 7. Топливо в камере сгорания 3 и дожигания 6 поступает через трубопроводы 8. Магнитный зонд 9 размещен на поверхности корпуса ГТУ в зоне камеры сгорания. К трем выходам магнитного зонда 9 подсоединены соответственно канал селекции сигналов запуска ГТУ (канал - а), канал селекции сигналов магнитного зонда в режиме функционирования ГТУ с фиксированной мощностью (канал - б) и канал селекции сигналов при аварийном режиме функционирования ГТУ (канал - с).According to figure 1, a device for implementing a method of controlling the combustion mode in a gas turbine unit consists of a
Каналы селекции сигналов ЭДС индукции (каналы а, б, с) магнитного зонда 9 функционально аналогичны друг другу и состоят в каждом канале из блоков спектральной селекции 10, 11, 12; схем сравнения 13, 14, 15; блоков формирования эталонных сигналов 16, 17, 18. Выходы схем сравнения подключены на входы блока анализа 19, выходы которого по линиям связи а', б', с' подключены к входам контрольно-испытательной аппаратуры 20, выходы которой по линиям управления связаны с блоком анализа 19, а также с блоками запуска и управления ГТУ1: блоком автоматического запуска 21, который, в свою очередь, связан с пусковой установкой 22; блоком электрического зажигания 23 и автоматом дозировки топлива 24. Выходы блоков запуска и управления ГТУ1 связаны (показано стрелками) с приводом запуска компрессора, свечами зажигания 4 и трубопроводами подачи топлива 8.The channels for selecting signals of induction EMF (channels a, b, c) of the magnetic probe 9 are functionally similar to each other and consist in each channel of spectral selection blocks 10, 11, 12; comparison schemes 13, 14, 15; blocks for the formation of reference signals 16, 17, 18. The outputs of the comparison circuits are connected to the inputs of the analysis block 19, the outputs of which are connected via the communication lines a ', b', c 'to the inputs of the control and testing equipment 20, the outputs of which are connected via the control lines to the block analysis 19, as well as with the start-up and control units of GTU1: an automatic start-up unit 21, which, in turn, is associated with the launcher 22; an electric ignition unit 23 and a fuel metering device 24. The outputs of the GTU1 start and control units are connected (shown by arrows) with the compressor start drive,
Способ контроля режимов горения в ГТУ в установившихся и неустановившихся, а также в аварийных режимах согласно фиг.1 осуществляют следующим образом.The method of monitoring combustion modes in gas turbines in steady and unsteady, as well as in emergency modes according to figure 1 is as follows.
Перед началом работы ГТУ1 для контроля режимов ее функционирования магнитный зонд 9 помещают на поверхности корпуса ГТУ в зоне камеры сгорания 3 вблизи критического сечения. Выходы магнитного зонда 9 подключают на вход блока спектральной селекции 10 для контроля режима запуска ГТУ, на вход блока спектральной селекции 11 для контроля установившегося режима функционирования ГТУ с постоянной (фиксированной) мощностью и на вход блока спектральной селекции 13 для контроля аварийных режимов. Функционирование ГТУ1 в этих режимах, особенно при пуско-наладочных работах сопровождается высоким уровнем вибрации отдельных узлов, которые по возможности необходимо выявить и устранить в процессе пуско-наладочных испытаний ГТУ. На этом этапе функционирования ГТУ получают информацию о режиме ее запуска, о режимах функционирования ГТУ в различных штатных режимах функционирования ГТУ в различных штатных режимах мощности, а также в аварийных режимах, в которых проверяется функционирование автоматов защиты ГТУ по сигналам контрольно-испытательной аппаратуры 20, и по сигналам магнитного зонда 9. При этом по каналам селекции сигналов магнитного зонда измеряют доминирующие частоты и уровни (амплитуды) спектральных составляющих сигналов магнитного зонда на его выходе, характеризующих режим запуска ГТУ (канал - а), режимы функционирования ГТУ с фиксированной мощностью (канал - б) и аварийные режимы (канал - с), которые используют для формирования эталонных сигналов в блоках 16, 17, 18 и выявления с их помощью штатных и аварийных режимов при функционировании ГТУ1.Before starting work of the
Для экспериментального определения компоненты периодических колебаний сложной формы на выходе магнитного зонда 9 применяются блоки спектральной селекции резонансного или гетеродинного типа. В качестве блоков спектральной селекции 10, 11, 12 можно использовать блоки спектральной селекции с резонансными избирательными контурами. Блок спектральной селекции состоит из входного переменного аттенюатора и избирательного усилителя, настроенного на частоту измеряемой компоненты. Аттенюатор служит переключателем уровней выходного сигнала, поступающего с магнитного зонда 9, которые можно прокалибровать при помощи напряжений известной величины, подводимых к входу от вспомогательного генератора сигнала до начала испытаний ГТУ1, а также выставить с его помощью эталонные сигналы в блоках 16, 17, 18 (см., например [6], с.216).For experimental determination of the components of periodic oscillations of complex shape at the output of the magnetic probe 9, spectral selection blocks of the resonant or heterodyne type are used. As the blocks of spectral selection 10, 11, 12, you can use the blocks of spectral selection with resonant selective circuits. The spectral selection block consists of an input variable attenuator and a selective amplifier tuned to the frequency of the measured component. The attenuator serves as a switch of the levels of the output signal coming from the magnetic probe 9, which can be calibrated using voltages of known magnitude supplied to the input from the auxiliary signal generator prior to the start of GTU1 tests, as well as setting reference signals in blocks 16, 17, 18 ( see, for example, [6], p.216).
Избирательный усилитель блока спектральной селекции обычно выполняется резистивно-емкостного типа. Преимущество этой схемы заключается в возможности при использовании отрицательной обратной связи стабилизировать усиление на измеряемой частоте и сделать его существенно независимым в широком диапазоне частот. Поэтому выбранная схема блока спектральной селекции позволяет перекрывать очень большой диапазон частот без применения в резонансных контурах индуктивностей, вносящих погрешности за счет приема энергии от паразитных магнитных полей.A selective amplifier for a spectral selection unit is typically a resistive-capacitive type. The advantage of this scheme is the possibility, when using negative feedback, of stabilizing the gain at the measured frequency and making it substantially independent over a wide frequency range. Therefore, the selected scheme of the block of spectral selection allows you to cover a very large frequency range without the use of inductance in the resonant circuits, introducing errors due to the reception of energy from spurious magnetic fields.
Схемы сравнения 13, 14, 15 анализаторов сложных колебаний на выходах блоков спектральной селекции 10, 11, 12 могут быть выполнены на основе схемы резонансного вольтметра, представленного в [6], с.221 на фиг.160 или на полупроводниковом аналоге такой схемы. При этом на входы соответствующих схем сравнения поступают одновременно сигналы с выходов блоков спектральной селекции 10, 11, 12 и сигналы с выходов блоков формирования эталонных сигналов 16, 17, 18. В этих схемах среднее отклонение резонансного вольтметра определяется только эффективным значением сложного сигнала на его входе. При этом если частота эталонного напряжения отличается от частоты компоненты измеряемого сигнала на выходе блока спектральной селекции на доли Герца, то на выходе резонансного вольтметра накладываются пульсации (биения), которые характеризуют амплитуду на измеряемой частоте компоненты. Эталонные сигналы получают при функционировании ГТУ1 в различных режимах в процессе пуско-наладочных испытаний.Comparison schemes 13, 14, 15 of complex vibration analyzers at the outputs of spectral selection blocks 10, 11, 12 can be performed on the basis of the resonant voltmeter circuit presented in [6], p.221 in Fig. 160 or on a semiconductor analog of such a circuit. In this case, the signals from the outputs of the blocks of spectral selection 10, 11, 12 and the signals from the outputs of the blocks for the formation of reference signals 16, 17, 18 are simultaneously input to the inputs of the corresponding comparison circuits. In these circuits, the average deviation of the resonant voltmeter is determined only by the effective value of the complex signal at its input . Moreover, if the frequency of the reference voltage differs from the frequency of the component of the measured signal at the output of the spectral selection unit by Hertz fractions, then pulsations (beats) that characterize the amplitude at the measured frequency of the component are superimposed at the output of the resonant voltmeter. Reference signals are obtained during the operation of GTU1 in various modes during commissioning tests.
Функционирование устройства осуществления способа контроля режима горения в ГТУ согласно фиг.1 выполняется следующим образом.The functioning of the device implementing the method of monitoring the combustion mode in the gas turbine according to figure 1 is as follows.
Для запуска ГТУ1 из контрольно-испытательной аппаратуры 20 в блок автоматического запуска 21 поступает команда запуска пусковой установки 22, которая осуществляет первоначальную раскрутку компрессора 2 и начальное нагнетание воздуха в камеру сгорания 3. При достижении в камере сгорания определенного давления (контролируется датчиком давления) из блока автоматического запуска 21 в автомат дозировки топлива 24 поступает команда на подачу топлива в камеру сгорания 3, а в блок электрического зажигания 23 - команда на подачу высоковольтных импульсов на свечи зажигания 4. В результате в камере сгорания образуется горючая смесь, которая поджигается электрическими разрядами свеч зажигания 4.To start GTU1 from the control and testing equipment 20, the automatic start-up unit 21 receives the start-up command of the launcher 22, which carries out the initial unwinding of the
После поступления воздуха и горючего в камеру сгорания и поджога горючей смеси давление в камере начинает резко расти. Рост давления приводит к возбуждению в камере сгорания 3 регулярных низкочастотных и флуктуационных высокочастотных колебаний. При возбуждении высокочастотных колебаний источником энергии для их возбуждения и поддержания является процесс горения. Как показали экспериментальные исследования, доминирующие частоты зарегистрированных магнитным зондом сигналов ЭДС индукции связаны с мощностью ГТУ: более высокочастотные моды колебаний соответствуют большим мощностям ГТУ. Зарегистрированные на начальном этапе при зажигании сигналы ЭДС индукции соответствуют меньшим мощностям энерговыделения в камере сгорания и поэтому имеют доминирующие частоты в спектре сигналов ЭДС индукции ~ fпред.мин. Их появление при регистрации сигналов ЭДС индукции характеризует момент зажигания газа в камере сгорания 3 и служит основным признаком при контроле режима зажигания в камере сгорания ГТУ, а также служит основой для формирования эталонного сигнала в блоке формирования эталонных сигналов 16 в процессе пуско-наладочных испытаний ГТУ.After air and fuel enter the combustion chamber and ignite the combustible mixture, the pressure in the chamber begins to increase sharply. An increase in pressure leads to the excitation of 3 regular low-frequency and fluctuation high-frequency oscillations in the combustion chamber. When high-frequency oscillations are excited, the source of energy for their excitation and maintenance is the combustion process. As experimental studies have shown, the dominant frequencies of induction EMF signals recorded by a magnetic probe are related to the power of a gas turbine: higher-frequency vibration modes correspond to high power gas turbines. The signals of induction EMF registered at the initial stage during ignition correspond to lower power of energy release in the combustion chamber and therefore have dominant frequencies in the spectrum of signals of induction EMF ~ f premin . Their appearance during the registration of induction EMF signals characterizes the moment of gas ignition in the
Таким образом, после зажигания горючей смеси в камере сгорания 3 ГТУ1 возбуждаются высокочастотные электромагнитные колебания электропроводной компоненты образовавшейся газовой смеси. С помощью магнитного зонда 9 измеряют сигналы ЭДС индукции и по каналу а селективного выделения сигналов режима запуска ГТУ блоком спектральной селекции 10 выделяют частотную полосу, включающую доминирующую частоту сигнала fпред.мин, характерную для режима зажигания и начала процесса горения в камере сгорания. При этом в блоке эталонных сигналов 16 установлен сигнал с частотой fпред.мин, который наряду с сигналом с частотой f поступает с выхода блока спектральной селекции 10 на схему сравнения 13, которая при выполнении условия f~fпред.мин выдает сигнал в блок анализа 19, который по каналу а' сигнализирует о зажигании газовой смеси в контрольно-испытательную аппаратуру 20. Так осуществляется контроль запуска ГТУ.Thus, after ignition of the combustible mixture in the
Одновременно со второго выхода магнитного зонда 9 по параллельному каналу б осуществляется селекция сигналов ЭДС индукции, характеризующих различные уровни мощности функционирования ГТУ1. При этом в процессе пуско-наладочных испытаний устанавливаются по командам контрольно-испытательной аппаратуры 20 в блоки запуска и управления фиксированные уровни мощности работы ГТУ1 и соответствующие этим уровням амплитуды и частоты доминирующих высокочастотных спектральных компонент сигналов ЭДС индукции магнитных зондов, которые выделяются блоком спектральной селекции 12 из сигналов на выходе магнитного зонда 9. Амплитуды (уровни) и частоты доминирующих высокочастотных спектральных компонент сигналов ЭДС индукции магнитных зондов, установленные в процессе пуско-наладочных испытаний как характерные для определенных режимов функционирования ГТУ, воспроизводятся в блоке формирования эталонных сигналов 17. В дальнейшем при эксплуатации ГТУ по командам, поступающим из контрольно-испытательной аппаратуры 20 через блок 19, в блоке формирования эталонных сигналов 17 формируется эталонный сигнал для контроля выделения сигнала магнитного зонда 9, соответствующего заданной фиксированной мощности функционирования ГТУ, согласно программе его функционирования.At the same time, from the second output of the magnetic probe 9, the induction emf signals characterizing various levels of GTU1 functioning power are selected via parallel channel b. At the same time, during the commissioning tests, the GTU1 fixed power levels and the amplitudes and frequencies of the dominant high-frequency spectral components of the EMF signals of magnetic probes that are highlighted by the spectral selection block 12 of signals at the output of the magnetic probe 9. Amplitudes (levels) and frequencies of the dominant high-frequency spectral components of the EMF signals of the induction of magnetic zones s, which were established during commissioning tests as being characteristic for certain modes of GTU operation, are reproduced in the unit for generating standard signals 17. Subsequently, when operating GTUs according to the commands received from the control and testing equipment 20 through unit 19, in the unit for generating standard signals a reference signal is generated to control the selection of the signal of the magnetic probe 9 corresponding to a given fixed power of functioning of the gas turbine, according to the program of its functioning.
На фиг.2 представлены экспериментальные значения амплитудно-частотных характеристик измеряемых магнитным зондом 9 сигналов при различных уровнях мощности ГТУ, регулируемых подачей топлива. Из представленных эпюр напряжения выходных сигналов Uвых(В) видно, что при уровне мощности 10% доминирующая частота регистрируемого сигнала составляет ~2,1 кГц; при 30% ~2,3 кГц; при 50% ~2,5 кГц; при 70% ~ 2,7 кГц; при 90% ~2,9 кГц; при 100% уровня мощности ГТУ доминирующая частота сигнала составляет ~3 кГц. С ростом уровня мощности растет амплитуда сигнала. Важно, что она превышает фоновый уровень на остальных частотах рассматриваемого диапазона регулирования мощности ГТУ. Эти сигналы были получены по каналу б в результате выделения сигналов в фиксированных режимах функционирования ГТУ, при котором сигнал с магнитного зонда 9 подавался через блок спектральной селекции 11 на один из входов схемы сравнения 14, а на второй вход этой схемы поступал сигнал с блока формирования эталонных сигналов 17. Амплитуда и частота эталонного сигнала формируются по командам блока анализа 19, которые вырабатываются по командам контрольно-испытательной аппаратуры 20. Так осуществляется контроль функционирования ГТУ в режимах с фиксированной мощностью.Figure 2 presents the experimental values of the amplitude-frequency characteristics of the signals measured by the magnetic probe 9 at various levels of gas turbine power, regulated by the fuel supply. From the presented diagrams of the voltage of the output signals U o (V) it can be seen that at a power level of 10%, the dominant frequency of the recorded signal is ~ 2.1 kHz; at 30% ~ 2.3 kHz; at 50% ~ 2.5 kHz; at 70% ~ 2.7 kHz; at 90% ~ 2.9 kHz; at 100% GTU power level, the dominant signal frequency is ~ 3 kHz. With increasing power level, the signal amplitude grows. It is important that it exceeds the background level at the remaining frequencies of the gas turbine power control range under consideration. These signals were obtained through channel b as a result of the separation of signals in fixed modes of GTU operation, in which the signal from the magnetic probe 9 was supplied through the spectral selection unit 11 to one of the inputs of the comparison circuit 14, and the signal from the reference unit was sent to the second input of this circuit signals 17. The amplitude and frequency of the reference signal are generated by the commands of the analysis unit 19, which are generated by the commands of the control and testing equipment 20. Thus, the operation of the gas turbine in modes with f ksirovannoy power.
При использовании ГТУ в турбореактивных авиационных двигателях каналы селекции сигналов ЭДС индукции (каналы а, б, с) используются для обеспечения эффективного взаимодействия ГТУ и реактивного двигателя с целью увеличения тяги. Для этого за турбиной 5 помещают вторую камеру сгорания (камеру дожигания 6), в которой газовый поток дополнительно нагревается и тяга двигателя существенно возрастает. При этом камера сгорания 3 используется как газогенератор для турбины 5, служащей приводом для компрессора 2. Нагнетаемый компрессором воздух подается в камеру дожигания 6, где догорает используемое в камере сгорания 3 топливо, а также сжигается дополнительное топливо, поступающее из автомата дозировки топлива 24 через трубопровод 8.When using gas turbines in turbojet aircraft engines, induction emf signal selection channels (channels a, b, c) are used to provide effective interaction between gas turbines and a jet engine in order to increase thrust. For this, a second combustion chamber (afterburning chamber 6) is placed behind the turbine 5, in which the gas flow is additionally heated and the engine thrust increases significantly. In this case, the
Однако при экспериментальной отработке таких турбинных систем необходимо предусмотреть контроль и селекцию аномальных режимов, что обеспечивается предлагаемой бесконтактной системой контроля, в которой блок спектральной селекции 12 канала с селекции сигналов магнитного зонда 9 при функционировании систем производит анализ амплитуд на отдельных частотах, характерных для работы наиболее важных агрегатов и узлов ГТУ в низкочастотных аварийных режимах функционирования.However, during the experimental development of such turbine systems, it is necessary to provide for the monitoring and selection of anomalous modes, which is ensured by the proposed non-contact monitoring system in which the spectral selection block 12 of the channel from the selection of the signals of the magnetic probe 9 during the functioning of the systems analyzes the amplitudes at individual frequencies typical for the operation of the most important GTU units and units in low-frequency emergency operation modes.
Для примера на фиг.1 для канала с приведена схема выделения аварийного сигнала, характерного для аварийного режима функционирования компрессора. При этом в ГТУ возбуждается (усиливается) характерная для компрессора механическая частота колебаний конструкции, которая возбуждает низкочастотные колебания электропроводной компоненты высокотемпературного газового потока, вызывающие при взаимодействии с чувствительным элементом магнитного зонда генерацию сигналов ЭДС индукции. При этом из общего сигнала при помощи блока фильтров (на схеме не показан) выделяется заданная для контроля аварийного режима функционирования компрессора частота и огибающая случайных колебаний сигнала на заданной частоте. Сигнал на выходе блока спектральной селекции 12 с помощью схемы сравнения 15 сопоставляется с эталонным сигналом на выходе блока формирования эталонных сигналов 18, установленным с помощью блока анализа 19 по команде контрольно-испытательной аппаратуры 20. Например, повышенная вибрация компрессора вносит в прокачиваемый воздух заряженные компоненты, обусловленные повышенной эрозией вращающихся элементов компрессора, которые дополнительно модулируют флуктуационный сигнал, фиксируемый магнитным зондом 9 и, соответственно, селектируемый блоком спектральной селекции 12, на выходе которого контролируемый сигнал может превысить эталонный уровень максимально допустимой мощности. Решение об этом формируется в блоке анализа 19 в результате сопоставления сигналов блока спектральной селекции 12 и блока формирования эталонных сигналов 18 схемой сравнения 15. Сигнал-рекомендация блока анализа 19 по линии с поступает в контрольно-испытательную аппаратуру 20, которая через блок автоматического запуска 21 и связанные с ним пусковую установку 22, блок электрического зажигания 23 и автомат дозировки топлива 24 регулирует мощность функционирования или при превышении выключает ГТУ1 для предотвращения аварии. Так осуществляется контроль аварийных режимов функционирования ГТУ1 при испытаниях и эксплуатации в авиационных системах, в частности контроль аварийного режима функционирования компрессора 2.For example, figure 1 for channel C shows the allocation scheme of the alarm characteristic of the emergency operation of the compressor. At the same time, a mechanical structural vibration characteristic of the compressor is excited (amplified) in a gas turbine engine, which excites low-frequency vibrations of the electrically conductive components of the high-temperature gas flow, which, when interacting with the sensitive element of the magnetic probe, induce EMF signals. At the same time, the frequency specified for monitoring the emergency operation of the compressor and the envelope of random oscillations of the signal at a given frequency are extracted from the general signal using a filter block (not shown in the diagram). The signal at the output of the spectral selection block 12 using the comparison circuit 15 is compared with the reference signal at the output of the reference signal generation block 18, set using the analysis block 19 at the command of the test equipment 20. For example, increased compressor vibration introduces charged components into the pumped air, due to increased erosion of the rotating elements of the compressor, which additionally modulate the fluctuation signal detected by the magnetic probe 9 and, accordingly, selectable the spectral selection locus 12, at the output of which the controlled signal can exceed the reference level of the maximum allowable power. The decision about this is formed in the analysis unit 19 as a result of the comparison of the signals of the spectral selection unit 12 and the unit for generating the reference signals 18 by the comparison circuit 15. The signal recommendation of the analysis unit 19 along line c enters the control and testing apparatus 20, which through the automatic start unit 21 and the associated launcher 22, the electric ignition unit 23 and the fuel metering unit 24 adjusts the operating power or, when exceeded, turns off the
Разработанные бесконтактный способ контроля режимов зажигания и горения в газотурбинной установке на основе измерения параметров компонент сигналов ЭДС индукции на выходе магнитного зонда и устройство для его осуществления позволяют с помощью накладных магнитных датчиков контролировать процессы запуска, воспламенения и горения газа при фиксированных мощностях функционирования ГТУ и формировать сигналы отклонения от фиксированного режима для контрольно-испытательной аппаратуры. Система контроля на основе измерения компонент сигналов ЭДС индукции магнитного зонда позволит в случае возникновения предотвращать развитие аварийной ситуации, например, при запуске ГТУ при подаче горючего газа и отсутствии зажигания. Такие случаи имели место в практике эксплуатации ГТУ газоперекачивающих станций (ГПС), где ГТУ в значительном количестве применяются в настоящее время. Их оснащение предлагаемой системой не требует нарушения целостности корпуса ГТУ. Альтернативная оптико-волоконная система контроля пламени фирмы “Боинг” может быть использована только с нарушением целостности корпуса ГТУ, что практически при эксплуатации ГТУ осуществить невозможно. Кроме того, стоимость системы контроля фирмы “Боинг” составляет 15 тыс.$, что в 3 раза дороже предлагаемой системы.The non-contact method for monitoring the ignition and combustion modes in a gas turbine installation based on measuring the parameters of the components of the induction emf signals at the output of the magnetic probe and a device for its implementation allow controlling the start-up, ignition, and combustion of gas at fixed gas turbine operation capacities using magnetic sensors, and generating signals deviations from the fixed mode for test equipment. A monitoring system based on measuring the components of the EMF signals of the magnetic probe induction will, in case of occurrence, prevent an emergency, for example, when starting a gas turbine with the supply of combustible gas and the absence of ignition. Such cases have occurred in the practice of operating gas turbine gas pumping stations (GPS), where gas turbines in significant quantities are currently used. Their equipment with the proposed system does not require violation of the integrity of the gas turbine unit. An alternative fiber-optic Boeing flame control system can be used only with a violation of the integrity of the gas turbine unit, which is practically impossible during gas turbine operation. In addition, the cost of the Boeing control system is $ 15 thousand, which is 3 times more expensive than the proposed system.
Литература.Literature.
1. В.М.Ильинский. “Системы контроля авиационных силовых установок”, М.: “Транспорт”, 1980 г., с.88.1. V.M. Ilyinsky. “Control systems of aircraft power plants”, M .: “Transport”, 1980, p. 88.
2. В.Е.Алемасов, А.Ф.Дрегалин, А.П.Тишин. “Теория ракетных двигателей”, М.: “Машиностроение”, 1980 г., с.536.2. V.E. Alemasov, A.F. Dregalin, A.P. Tishin. “Theory of rocket engines”, M .: “Mechanical Engineering”, 1980, p. 536.
3. В.А.Соловьев. “Способ измерения токов в плазме”. Заявка №4906432/28 от 28.01.1991 г. А.с. №1778715, опубл. 30.11.1992 г., Бюл. №44.3. V.A. Soloviev. “A method for measuring currents in a plasma." Application No. 4906432/28 dated January 28, 1991 A.S. No. 17778715, publ. November 30, 1992, Bull. No. 44.
4. Ю.П.Щуров, Н.М.Пушкин. “Способ диагностики аномальных режимов функционирования реактивных двигателей” А.с. №2145718, опубл. 20.02.2000 г., Бюл. №5.4. Yu.P. Shchurov, N.M. Pushkin. “A method for diagnosing abnormal operating modes of jet engines” A.s. No. 2145718, publ. 02/20/2000, Bull. No. 5.
5. Г.П.Шибанов, Р.И.Адгамов, С.В.Дмитриев и др. “Автоматизация испытаний и контроля авиационных ГТД”, М.: “Машиностроение”, 1977 г., с.280.5. G. P. Shibanov, R. I. Adgamov, S. V. Dmitriev and others. “Automation of testing and control of aircraft gas turbine engines”, M.: “Mechanical Engineering”, 1977, p. 280.
6. Ф.Термен, Дж.Петтит. “Измерительная техника в электронике”, Издательство иностранной литературы, М.: 1955 г., с.604.6. F. Termen, J. Pettit. “Measuring equipment in electronics”, Publishing house of foreign literature, Moscow: 1955, p. 604.
7. “Правила составления, подачи и рассмотрения заявки на выдачу патента на изобретение”. Москва, 2001 г. Информационно-издательский центр Росагентства по патентам и товарным знакам.7. “Rules for the preparation, filing and consideration of applications for the grant of a patent for an invention”. Moscow, 2001. Information and Publishing Center of the Russian Agency for Patents and Trademarks.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002113378/06A RU2245491C2 (en) | 2002-05-22 | 2002-05-22 | Method and device for monitoring combustion conditions in gas-turbine power unit |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002113378/06A RU2245491C2 (en) | 2002-05-22 | 2002-05-22 | Method and device for monitoring combustion conditions in gas-turbine power unit |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2002113378A RU2002113378A (en) | 2003-11-20 |
| RU2245491C2 true RU2245491C2 (en) | 2005-01-27 |
Family
ID=35139262
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002113378/06A RU2245491C2 (en) | 2002-05-22 | 2002-05-22 | Method and device for monitoring combustion conditions in gas-turbine power unit |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2245491C2 (en) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8613297B2 (en) | 2003-07-29 | 2013-12-24 | Societe Bic | Fuel supply systems having operational resistance |
| RU2539221C1 (en) * | 2013-07-18 | 2015-01-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (МАИ) | Nozzle assembly of gas reaction turbine |
| RU2539184C2 (en) * | 2009-10-19 | 2015-01-20 | Турбомека | Test for gas turbine engine combustion chamber no-quenching state |
| RU2579435C1 (en) * | 2015-01-20 | 2016-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method of controlling gas turbine engine ignition system |
| RU2636602C2 (en) * | 2012-11-12 | 2017-11-24 | Снекма | Method for monitoring engine start cycle of gas-turbine plant |
| RU2680024C1 (en) * | 2018-03-16 | 2019-02-14 | Публичное акционерное общество "ОДК - Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК - УМПО") | Method for determining technical state of ionization flame sensors |
| US11684406B2 (en) | 2018-12-05 | 2023-06-27 | Erbe Elektromedizin Gmbh | Plasma treatment device |
| RU2800584C2 (en) * | 2018-12-05 | 2023-07-24 | Эрбе Электромедицин Гмбх | Device for plasma impact on biological tissue and a method of controlling it |
-
2002
- 2002-05-22 RU RU2002113378/06A patent/RU2245491C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| КЕБА И.В. Диагностика авиационных газотурбинных двигателей. - М.: Транспорт, 1980, с.54-60, рис.17. * |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8613297B2 (en) | 2003-07-29 | 2013-12-24 | Societe Bic | Fuel supply systems having operational resistance |
| RU2539184C2 (en) * | 2009-10-19 | 2015-01-20 | Турбомека | Test for gas turbine engine combustion chamber no-quenching state |
| RU2636602C2 (en) * | 2012-11-12 | 2017-11-24 | Снекма | Method for monitoring engine start cycle of gas-turbine plant |
| RU2539221C1 (en) * | 2013-07-18 | 2015-01-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (МАИ) | Nozzle assembly of gas reaction turbine |
| RU2579435C1 (en) * | 2015-01-20 | 2016-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method of controlling gas turbine engine ignition system |
| RU2680024C1 (en) * | 2018-03-16 | 2019-02-14 | Публичное акционерное общество "ОДК - Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК - УМПО") | Method for determining technical state of ionization flame sensors |
| US11684406B2 (en) | 2018-12-05 | 2023-06-27 | Erbe Elektromedizin Gmbh | Plasma treatment device |
| RU2800584C2 (en) * | 2018-12-05 | 2023-07-24 | Эрбе Электромедицин Гмбх | Device for plasma impact on biological tissue and a method of controlling it |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10018358B2 (en) | Method and system for igniter health monitoring in a gas turbine engine | |
| US3868625A (en) | Surge indicator for turbine engines | |
| EP3199939B1 (en) | Electrostatic dust and debris sensor for an engine | |
| US9989253B2 (en) | Combustion instability control method | |
| JP2006523297A (en) | Method and apparatus for detecting unstable combustion in a continuous combustion system | |
| RU2245491C2 (en) | Method and device for monitoring combustion conditions in gas-turbine power unit | |
| JP4634807B2 (en) | Method and apparatus for detecting combustion instability in a continuous combustion system | |
| EP3199938B1 (en) | Electrostatic dust sensor for an engine | |
| EP2455661A2 (en) | Combustion dynamics monitoring ignition system for a gas turbine | |
| US9599527B2 (en) | Dynamic pressure method of detecting flame on/off in gas turbine combustion cans for engine protection | |
| RU2614388C2 (en) | Aircraft engines capacitive ignition system control device | |
| US4636777A (en) | Monitoring arrangement for a gas turbine spark ignition system | |
| US7559234B1 (en) | Real-time combustion control and diagnostics sensor-pressure oscillation monitor | |
| JP2006227001A (en) | Ion sensor formed by coating | |
| CN115151721A (en) | Method for monitoring a component in a turbine engine combustor | |
| EP3199940B1 (en) | Electrostatic particle sensor | |
| US7113873B2 (en) | Method and system for using eddy current transducers in pressure measurements | |
| RU2272923C1 (en) | Method of control of vibratory combustion in gas-turbine engine combustion chamber | |
| RU2258923C1 (en) | Method of diagnosing gas turbine engines at steady and non-steady states of operation | |
| Zhu et al. | Stability characteristics of an actively valved resonant pulse combustor | |
| RU2801254C1 (en) | Method for determining temperature at turbine inlet for gas turbine engine using acoustics (options) and gas turbine engine | |
| RU2678231C1 (en) | Method of controlling aircraft engines capacitive ignition system | |
| RU2663311C1 (en) | Method of the non-contact early burnout diagnostics of the rocket chamber on the self-magnetic field intensity of combustion products | |
| CN114846312A (en) | Calculating turbine inlet temperature using acoustics | |
| RU2017081C1 (en) | Method of determination of combustion chamber resonant frequencies |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20100414 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130523 |