RU2514460C1

RU2514460C1 - Method of diagnostics of axial-flow compressor distributor

Info

Publication number: RU2514460C1
Application number: RU2013117299/06A
Authority: RU
Inventors: Нина Сергеевна Мельникова; Георгий Викторович Добрянский
Priority date: 2013-04-17
Filing date: 2013-04-17
Publication date: 2014-04-27

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: tolerable deviation from program position of distributor at compressor rotor acceleration and deceleration are set. Note here that said tolerable deviations include preset tolerable distributor deviation from preset position and compressor rotor rpm tolerable deviation from preset rpm. Note also at acceleration and deceleration, distributor tolerable deviation is compared with actual deviation of distributor from program position. Note that compressor rotor rpm change rate is compared with current rate. Results of said comparison are used to diagnose the compressor rotor distributor position at acceleration or deceleration.

EFFECT: higher reliability of diagnostics.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области управления работой газотурбинных двигателей и может быть использовано для диагностики направляющих аппаратов осевого компрессора газотурбинной установки, например, авиационного газотурбинного двигателя (ГТД) в процессе эксплуатации.The invention relates to the field of controlling the operation of gas turbine engines and can be used to diagnose the guiding apparatus of the axial compressor of a gas turbine installation, for example, an aircraft gas turbine engine (GTE) during operation.

Известен реализуемый системой способ управления ГТД, при котором осуществляется диагностика положения направляющих аппаратов компрессора, согласно которому посредством датчиков измеряют положение направляющих аппаратов компрессора, частоту вращения ротора компрессора, температуру воздуха на входе в компрессор, сравнивают их значения с заданными и в случае, если отклонения текущих параметров выходят за пределы заданных, диагностируют отказ работы направляющих аппаратов осевого компрессора (см. патент РФ на полезную модель №115832, кл. F02C 9/00, 2012 г.) - наиболее близкий аналог.There is a known GTD control method implemented by the system, in which the position of the compressor guide vanes is diagnosed, according to which the position of the compressor guide vanes, the rotor speed of the compressor, the air temperature at the compressor inlet are measured using sensors, and their values are compared with the set values if the current deviations parameters go beyond the set, diagnose the failure of the guiding apparatus of the axial compressor (see RF patent for utility model No. 115832, class. F02C 9/00, 2012) is the closest analogue.

В результате анализа известного способа необходимо отметить, что он обеспечивает эффективную диагностику направляющих аппаратов в процессе работы ГТД на постоянных режимах, однако реализуемый системой данный способ не обеспечивает надежную диагностику направляющих аппаратов компрессора на наиболее «тяжелых» режимах работы, а именно при приемистости и торможении ротора осевого компрессора.As a result of the analysis of the known method, it should be noted that it provides effective diagnostics of guide vanes during gas turbine engine operation under constant conditions, however, this method implemented by the system does not provide reliable diagnostics of compressor guide vanes at the most “heavy” operating modes, namely, during rotor throttle response and braking axial compressor.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности диагностики за счет обеспечения диагностики направляющих аппаратов компрессора, в том числе на наиболее «тяжелых» режимах работы, а именно при приемистости и торможении ротора осевого компрессора.The technical result of the present invention is to increase the reliability of diagnostics by providing diagnostics of compressor guide vanes, including at the most “heavy” operating modes, namely, during throttle response and braking of the axial compressor rotor.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе диагностики положения направляющих аппаратов осевого компрессора, включающем задание программного значения положения направляющих аппаратов, измерение положения направляющих аппаратов при работе компрессора, сравнение измеренных значений с программными и по результатам сравнения диагностирование положения направляющих аппаратов, новым является то, что дополнительно задают допустимые значения отклонений от программного положения направляющих аппаратов на приемистости и торможении ротора компрессора, причем в качестве значений допустимых отклонений на приемистости и торможении используют значения заданного допустимого уровня отклонения положения направляющих аппаратов и заданной величины скорости изменения частоты вращения ротора компрессора, причем на режимах приемистости или торможения допустимое заданное значение отклонения положения направляющих аппаратов сравнивают со значением отклонения текущего положения направляющих аппаратов от программного, а допустимое значение величины скорости изменения частоты вращения ротора компрессора - с текущим ее значением и по результатам сравнения диагностируют положение направляющих аппаратов ротора компрессора на приемистости или торможении.The specified technical result is ensured by the fact that in the method for diagnosing the position of the guide vanes of the axial compressor, including setting the program value of the position of the guide vanes, measuring the position of the guide vanes during compressor operation, comparing the measured values with the software and, based on the results of the comparison, diagnosing the position of the guide vanes, it’s new which additionally sets the permissible values of deviations from the program position of the guide vanes at the reception rotor speed and braking of the compressor rotor; moreover, the values of the permissible deviation level of the position of the guide vanes and the given value of the rate of change of the rotor speed of the compressor rotor are used as the values of permissible deviations at the throttle response and braking; the deviation value of the current position of the guide vanes from the software, and the permissible value of orosti change compressor rotor speed - with its current value and diagnosed by comparing the position of the compressor rotor pickup apparatuses or braking.

Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых:The essence of the claimed invention is illustrated by graphic materials on which:

- на фиг.1 - схема устройства, реализующего способ;- figure 1 is a diagram of a device that implements the method;

- на фиг.2 - графики положения направляющих аппаратов осевого компрессора в процессе работы осевого компрессора. (Нумерация графиков на фиг.2: (1) - программное значение положения направляющих аппаратов осевого компрессора в зависимости от приведенной частоты вращения ротора компрессора; (2) - допустимые значения положения направляющих аппаратов осевого компрессора при приемистости осевого компрессора; (3) - допустимые значения положения направляющих аппаратов осевого компрессора при его торможении; (4) - траектория изменения положения направляющих аппаратов при приемистости в случае отсутствия неисправности; (6) - траектория изменения положения направляющих аппаратов при приемистости и наличии неисправности; (5) - траектория изменения положения направляющих аппаратов при торможении в случае отсутствия неисправности; (7) - траектория изменения положения направляющих аппаратов при торможении и наличии неисправности).- figure 2 - graphs of the position of the guide vanes of the axial compressor during operation of the axial compressor. (The numbering of the graphs in Fig. 2: (1) is the programmed value of the position of the axial compressor guide vanes depending on the reduced compressor rotor speed; (2) is the permissible value of the position of the axial compressor guide vanes with the throttle response of the axial compressor; (3) the position of the guide vanes of the axial compressor when it is braking; (4) - the trajectory of changing the position of the guide vanes during throttle response in the absence of a malfunction; (6) - the trajectory of changing the position of the direction bending apparatuses during pickup and the presence of a malfunction; (5) - the trajectory of changing the position of the guide vanes during braking in the absence of a malfunction; (7) - the trajectory of changing the position of the guide vanes during braking and the presence of malfunction).

Способ диагностики положения направляющих аппаратов осевого компрессора реализуется устройством, в котором осевой компрессор обозначен позицией 1, положение направляющих аппаратов (α) компрессора отслеживается датчиком 2, а частота вращения (n) ротора компрессора - датчиком 3. Датчик 3 связан с дифференцирующим блоком 4 и с вычислителем 5 приведенной частоты вращения (n_пр) ротора компрессора в зависимости от температуры (T_вх) воздуха на входе в компрессор (датчик температуры не показан). Выход вычислителя 5 связан с задающим блоком 6, формирующим программное значение угла (α0) направляющих аппаратов в зависимости от приведенного значения (n_пр) частоты вращения ротора компрессора. Выход задающего блока 6 связан с первым входом первого элемента сравнения 7, со вторым входом которого связан выход датчика 2.A method for diagnosing the position of the axial compressor guide vanes is implemented by a device in which the axial compressor is indicated by 1, the position of the compressor guide vanes (α) is monitored by the sensor 2, and the compressor rotor speed (n) is monitored by the sensor 3. The sensor 3 is connected to the differentiating unit 4 and a calculator 5 of the reduced rotational speed (n _pr ) of the compressor rotor depending on the temperature (T _in ) of the air at the compressor inlet (temperature sensor not shown). The output of the calculator 5 is connected with the master unit 6, forming the program value of the angle (α0) of the guide vanes, depending on the reduced value (n _CR ) of the rotor speed of the compressor rotor. The output of the master unit 6 is connected with the first input of the first comparison element 7, with the second input of which the output of the sensor 2 is connected.

Устройство оснащено вторым 8 и третьим 9 элементами сравнения. Первый вход третьего элемента сравнения 9 связан с первым задатчиком 10 допустимого уровня значений отклонений (B₁) направляющих аппаратов, а первый вход второго элемента сравнения 8 связан с первым задатчиком 11 значения уровня производной частоты вращения (A₁) ротора компрессора, выше которого производится диагностирование положения направляющих аппаратов компрессора при приемистости компрессора.The device is equipped with a second 8 and third 9 comparison elements. The first input of the third comparison element 9 is connected to the first setter 10 of the permissible level of deviation values (B ₁ ) of the guide vanes, and the first input of the second comparison element 8 is connected to the first setter 11 of the value of the level of the derivative speed (A ₁ ) of the compressor rotor, above which the diagnosis is made compressor guide vanes with compressor throttle response.

Второй вход элемента сравнения 8 связан с выходом дифференцирующего блока 4, а второй вход элемента сравнения 9 связан с выходом первого элемента сравнения 7. Выходы элементов сравнения 8 и 9 связаны с входами первого элемента «И» 12.The second input of the comparison element 8 is connected to the output of the differentiating unit 4, and the second input of the comparison element 9 is connected to the output of the first comparison element 7. The outputs of the comparison elements 8 and 9 are connected to the inputs of the first element "And" 12.

Устройство оснащено вторым задатчиком 13 уровня значения производной частоты вращения (A2) ротора компрессора, ниже которого производится диагностирование положения направляющих аппаратов компрессора при торможении компрессора, а также вторым задатчиком 14 допустимого уровня значений (B2) отклонений направляющих аппаратов. Выход задатчика 13 связан с первым входом четвертого элемента сравнения 15, а выход задатчика 14 - с первым входом пятого элемента сравнения 16.The device is equipped with a second adjuster of level 13 of the value of the derivative frequency of rotation (A2) of the compressor rotor, below which the position of the compressor guide vanes during compressor braking is diagnosed, and also with a second adjuster 14 of the permissible level of values (B2) of deviations of the guide vanes. The output of the setter 13 is connected with the first input of the fourth comparison element 15, and the output of the setter 14 is connected with the first input of the fifth comparison element 16.

Второй вход четвертого элемента сравнения 15 связан с выходом дифференцирующего блока 4, а второй вход пятого элемента сравнения 16 связан с выходом первого элемента сравнения 7. Выходы элементов сравнения 15 и 16 связаны с входами второго элемента «И» 17.The second input of the fourth comparison element 15 is connected to the output of the differentiating unit 4, and the second input of the fifth comparison element 16 is connected to the output of the first comparison element 7. The outputs of the comparison elements 15 and 16 are connected to the inputs of the second element "And" 17.

Выходы элементов «И» 12 и 17 связаны с входами элемента «ИЛИ» 18, выход которого связан с регистратором 19.The outputs of the elements "And" 12 and 17 are connected to the inputs of the element "OR" 18, the output of which is connected with the registrar 19.

Все используемые в устройстве блоки и элементы, являются известными и реализуют присущие им функции, их конкретное выполнение не является предметом патентной охраны и поэтому в материалах заявки указываются их выполняемые функции, а конкретное выполнение не раскрыто.All the blocks and elements used in the device are known and implement their inherent functions, their specific implementation is not subject to patent protection and therefore their functions are indicated in the application materials, and the specific implementation is not disclosed.

В качестве регистратора 19 могут быть использованы: запоминающее устройство, световое табло, монитор компьютера и т.п.As the registrar 19 can be used: storage device, light panel, computer monitor, etc.

Датчики 2 и 3 являются стандартными.Sensors 2 and 3 are standard.

В качестве элементов сравнения 7, 8, 9, 15, 16 и в качестве элементов «И», «ИЛИ» могут быть использованы широко известные логические блоки, выполненные в виде стандартных электронных схем.As elements of comparison 7, 8, 9, 15, 16 and as elements of “AND”, “OR”, well-known logical blocks made in the form of standard electronic circuits can be used.

В качестве вычислителя 5 может быть использован стандартный процессор, реализующий функцию $n_{п р} = n \sqrt{\frac{288}{T_{в х}}}$

, где n_пр - приведенное значение частоты вращения ротора компрессора, n - частота вращения ротора компрессора, T_вх - температура воздуха на входе в компрессор.As the calculator 5 can be used a standard processor that implements the function

n_{P R} = n \sqrt{\frac{288}{T_{at x}}}

where n _pr is the reduced value of the compressor rotor speed, n is the compressor rotor speed, T _in is the air temperature at the compressor inlet.

В качестве блока 6 может быть использован стандартный цифровой блок памяти, в котором в табличной форме в виде двухмерного массива хранится наперед заданная зависимость программного значения положения направляющих аппаратов компрессора от приведенной частоты вращения его ротора и температуры воздуха на входе в двигатель.As block 6, a standard digital memory block can be used, in which a predetermined dependence of the program value of the position of the compressor guide vanes on the reduced rotational speed of its rotor and the air temperature at the engine inlet is stored in tabular form in a two-dimensional array.

В качестве дифференцирующего блока 4 может быть также использован цифровой блок, в котором реализована функция дифференцирования сигнала с датчика 3.As a differentiating unit 4 can also be used a digital unit, which implements the function of differentiating the signal from the sensor 3.

В качестве задатчиков 10, 11, 13, 14 могут быть использованы стандартные цифровые блоки памяти, в которых хранятся наперед заданные значения допустимых значений отклонений фактического значения положения направляющих аппаратов компрессора от его программного значения и значения производной частоты вращения ротора компрессора при приемистости и торможении соответственно.Standard digital memory blocks can be used as adjusters 10, 11, 13, 14, in which the preset values of admissible deviations of the actual value of the position of the compressor guide vanes from its program value and the derivative of the compressor rotor speed during acceleration and braking, respectively, are stored.

Таким образом, аппаратная реализация заявленного способа не может вызывать сомнений.Thus, the hardware implementation of the claimed method cannot be in doubt.

Способ диагностики положения направляющих аппаратов осевого компрессора осуществляют следующим образом.A method for diagnosing the position of the guide vanes of an axial compressor is as follows.

Для проведения диагностики направляющих аппаратов изначально задают:For the diagnosis of guide vanes, they initially set:

- программные значения положения направляющих аппаратов компрессора (в блоке 6);- programmed values of the position of the compressor guide vanes (in block 6);

- значения заданного допустимого уровня отклонения положения направляющих аппаратов (B₁) и заданной величины производной частоты вращения ротора компрессора (A₁) на режиме приемистости ротора компрессора (их значения закладывают в блоки 10 и 11);- the values of the specified permissible level of deviation of the position of the guide vanes (B ₁ ) and the given value of the derivative of the compressor rotor speed (A ₁ ) at the compressor rotor throttle response mode (their values are placed in blocks 10 and 11);

- значения заданного допустимого уровня отклонения положения направляющих аппаратов (B₂) и заданной величины производной частоты вращения ротора компрессора (A₂) на режиме торможения ротора компрессора (их значения закладывают в блоки 14 и 13).- the values of the specified permissible level of deviation of the position of the guide vanes (B ₂ ) and the given value of the derivative of the compressor rotor speed (A ₂ ) in the compressor rotor braking mode (their values are placed in blocks 14 and 13).

Значения (A₁, A₂, B₁, B₂) могут быть получены как экспериментальным, так и расчетным путем. На фиг.2 интервал допустимых значений - это расстояние по оси абсцисс от графика 1 до графика 2 и от графика 1 до графика 3. Таким образом, задаваемые параметры позволяют диагностировать состояние направляющих аппаратов компрессора на всех режимах его работы.Values (A ₁ , A ₂ , B ₁ , B ₂ ) can be obtained both experimentally and by calculation. In Fig. 2, the interval of permissible values is the distance along the abscissa axis from graph 1 to graph 2 and from graph 1 to graph 3. Thus, the set parameters allow diagnosing the condition of the compressor guide vanes in all modes of operation.

В процессе работы газотурбинной установки, в режиме реального времени при раскручивании ротора осевого компрессора (на приемистости) датчиком 2 постоянно осуществляется контроль углового положения направляющих аппаратов компрессора, а частота вращения ротора компрессора - датчиком 3. На вход вычислителя 5 постоянно поступает значение температуры воздуха на входе в компрессор.During the operation of the gas turbine installation, in real time, when the rotor of the axial compressor is rotated (at pick-up), the sensor 2 constantly monitors the angular position of the compressor guide vanes, and the compressor rotor speed is monitored by the sensor 3. The value of the input air temperature is constantly fed to the input of the calculator 5 into the compressor.

Блок 4 производит дифференцирование значения сигнала (n), получая (dn/dt) - значение, которое характеризует текущую скорость изменения параметра.Block 4 differentiates the value of the signal (n), obtaining (dn / dt) - a value that characterizes the current rate of change of the parameter.

Параллельно вычисляют (в вычислителе 5) значение приведенной частоты вращения (n_пр) ротора компрессора, которое осуществляют по зависимости $n_{п р} = n \sqrt{\frac{288}{T_{в х}}}$

, где n_пр - приведенное значение частоты вращения ротора компрессора, n - частота вращения ротора компрессора, T_вх - температура воздуха на входе в компрессор.In parallel, calculate (in calculator 5) the value of the reduced rotational speed (n _CR ) of the compressor rotor, which is carried out according to

n_{P R} = n \sqrt{\frac{288}{T_{at x}}}

По вычисленному значению (n_пр) в задающем блоке 6 из наперед заданного массива данных или по аппроксимирующей зависимости в зависимости от значения (n_пр) и (T_вх) определяют соответствующее ему программное значение положения направляющих аппаратов компрессора (α0). Сигнал (α0) поступает с блока 6 на первый вход первого элемента сравнения 7, на второй вход которого поступает сигнал (α) с датчика 2, в результате сравнения вырабатывается сигнал (Δα), характеризующий текущее отклонение фактического значения положения направляющих аппаратов от программного (Δα=α-α0).According to the calculated value (n _CR ) in the master unit 6 from a predetermined data array or approximating dependence, depending on the value (n _CR ) and (T _I ), the corresponding program value of the position of the compressor guide vanes (α0) is determined. The signal (α0) comes from block 6 to the first input of the first comparison element 7, the second input of which receives the signal (α) from sensor 2, as a result of the comparison, a signal (Δα) is generated that characterizes the current deviation of the actual value of the position of the guide vanes from the software (Δα = α-α0).

Полученные значения сигналов (Δα) и (dn/dt) в элементах сравнения 9 и 8 сравнивают соответственно с допустимыми (заложены в блоки 10 и 11) значениями (B₁) и (A₁), и если значения (Δα) и (dn/dt) превышают величины (B₁) и (A₁) соответственно, то на выходе блоков 9 и 8 вырабатываются логические сигналы «да». При одновременном наличии сигналов «да» на обоих входах логического блока «И» 12 он формирует признак неисправности, который через логический блок «ИЛИ» 18 поступает на регистратор 19. На фиг.2 это состояние иллюстрируется графиком 6, который пересекает график 2. В случае если по результатам сравнения вычисленные значения меньше заданных, то диагностируется нормальное состояние положения направляющих компрессора. В этом случае сигнал через блоки «И» 12 и «ИЛИ» 18 не поступает на регистратор 19. На фиг.2 это состояние иллюстрируется графиком 4, который не пересекает график 2.The obtained values of the signals (Δα) and (dn / dt) in the comparison elements 9 and 8 are compared, respectively, with the permissible (embedded in blocks 10 and 11) values (B ₁ ) and (A ₁ ), and if the values (Δα) and (dn / dt) exceed the values (B ₁ ) and (A ₁ ), respectively, then the output of blocks 9 and 8 produces logical signals “yes”. With the simultaneous presence of “yes” signals at both inputs of the logical block “AND” 12, it forms a symptom of failure, which through the logical block “OR” 18 enters the recorder 19. In figure 2 this state is illustrated by graph 6, which intersects graph 2. In If, according to the results of the comparison, the calculated values are less than the set values, then the normal state of the position of the compressor rails is diagnosed. In this case, the signal through the blocks “AND” 12 and “OR” 18 does not arrive at the recorder 19. In figure 2 this state is illustrated by graph 4, which does not cross graph 2.

Таким образом, в процессе работы ротора компрессора постоянно контролируется как его значение отклонения от заданного положения (Δα), так и скорость (темп) (dn/dt) изменения данного отклонения, которая характеризует скорость развития дефекта, что позволяет заблаговременно проводить необходимые профилактические мероприятия.Thus, in the process of operation of the compressor rotor, its deviation from the set position (Δα) and the rate (pace) (dn / dt) of the change in this deviation, which characterizes the defect development rate, which allows the necessary preventive measures to be taken in advance, are constantly monitored.

При замедлении вращения ротора компрессора (при торможении) в элементах сравнения 16 и 15 сравниваются значения (Δα) и (dn/dt) с допустимыми (заложены в блоки 14 и 13) значениями (B₂) и (A₂), и если значения (Δα) и (dn/dt) превышают величины (B₂) и (A₂) соответственно, то на выходе блоков 16 и 15 вырабатываются логические сигналы «да». При одновременном наличии сигналов «да» на обоих входах логического блока «И» 17 он формирует признак неисправности, который через логический блок «ИЛИ» 18 поступает на регистратор 19. На фиг.2 это состояние иллюстрируется графиком 7, который пересекает график 3. В случае, если по результатам сравнения вычисленные значения не выходят за пределы заданных при торможении, то диагностируется исправное состояние направляющих компрессора, соответствующее значение сигнала которого через блоки «И» 17 и «ИЛИ 18 не поступает на регистратор 19.When the rotation of the compressor rotor is slowed down (during braking), the values of (Δα) and (dn / dt) are compared in the comparison elements 16 and 15 with the permissible values (B ₂ ) and (A ₂ ) (embedded in blocks 14 and 13), and if the values (Δα) and (dn / dt) exceed the values of (B ₂ ) and (A ₂ ), respectively, then the logic signals “yes” are generated at the output of blocks 16 and 15. With the simultaneous presence of “yes” signals at both inputs of the logical block “AND” 17, it forms a symptom of failure, which through the logical block “OR” 18 enters the registrar 19. In figure 2 this state is illustrated by graph 7, which crosses graph 3. In If, according to the results of the comparison, the calculated values do not go beyond the limits set during braking, then the healthy condition of the compressor rails is diagnosed, the corresponding signal value of which through the blocks “AND” 17 and “OR 18 does not enter the recorder 19.

При медленном вращении ротора производная dn/dt по абсолютной величине не превышает значений (A₁) или (A₂), и на блоки «И» не поступают разрешающие команды «да» по вторым входам, то есть при медленном вращении ротора диагностика положения направляющих аппаратов не осуществляется.With slow rotation of the rotor, the derivative dn / dt in absolute value does not exceed the values of (A ₁ ) or (A ₂ ), and resolving commands “yes” for the second inputs are not received on blocks “I”, that is, when the rotor rotates slowly, diagnostics of the position of the guides devices are not carried out.

Использование данного способа позволяет диагностировать состояние направляющих аппаратов компрессора во всем диапазоне режимов его работы, в том числе на переходных режимах (приемистости и торможения), на которых наблюдаются наибольшие нагрузки на механизмы направляющих аппаратов компрессора.Using this method allows you to diagnose the condition of the compressor guide vanes in the entire range of modes of operation, including in transient modes (throttle response and braking), at which the largest loads on the mechanisms of the compressor guide vanes are observed.

Claims

A method for diagnosing the position of the guide vanes of an axial compressor, including setting the program value of the position of the guide vanes, measuring the position of the guide vanes during compressor operation, comparing the measured values with the software and, based on the comparison results, diagnosing the position of the guide vanes, characterized in that they additionally set the permissible values of deviations from the program position guide vanes on the throttle response and braking of the compressor rotor, as values for permissible deviations for pickup and braking use the values of the specified permissible level of deviation of the position of the guide vanes and the specified value of the speed of change of the rotor speed of the compressor rotor, and in the acceleration or braking modes, the permissible specified value of the deviation of the position of the guide vanes is compared with the deviation of the current position of the guide vanes from the software, and permissible value of the rate of change of compressor rotor speed - with its current value and according to the results of comparison diagnose the position of the guide vanes of the compressor rotor at throttle response or braking.