RU2747113C1

RU2747113C1 - Method for protecting a gas turbine engine with a three-stage gas generator against the pump with the following destroy of the gas air tract

Info

Publication number: RU2747113C1
Application number: RU2020128234A
Authority: RU
Inventors: Александр Иванович Ленюский; Алексей Иванович Бойко; Иван Александрович Черничкин; Сергей Владимирович Бегинин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Ухта"
Priority date: 2020-08-25
Filing date: 2020-08-25
Publication date: 2021-04-27

Abstract

FIELD: aviation and beyond.

SUBSTANCE: invention relates to the field of aviation, energy and gas industry and, in particular, can be used in the operation of gas compressor units (GCU) driven by converted gas turbine engines (GTE) NK-36ST in the conditions of compressor stations of gas transmission enterprises. It is also possible to implement it in automatic control systems (ACS) and protection of aircraft engines NK-25, NK-32, NK-32-02, NK-361, NK-37. The technical solution is aimed at protecting the engine with a three-stage gas generator from secondary damage and destruction due to the surge of an axial compressor at the initial stages of manifestation of defects in parts of the gas-air duct. The technical result is the timely shutdown of the engine (emergency or forced shutdown), which allows maintaining the integrity of most of the gas-air path of the gas turbine engine, including by preventing the surge of the axial compressor. According to the invention, a computational module is introduced into the ACS and GTE protection system for calculating and comparing the slip of the gas generator rotors with the issuance of warning and alarm signals when the diagnostic parameter reaches the limit values.

EFFECT: three-stage gas generator engine protected by timely shutdown.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области авиационной, энергетической и газовой промышленности и, в частности, может быть использовано при эксплуатации газоперекачивающих агрегатов (далее - ГПА) с приводом от конвертированных газотурбинных двигателей (далее - ГТД) НК-36СТ в условиях компрессорных станций газотранспортных предприятий. Возможна также реализация в системах автоматического управления (далее - САУ) и защит авиационных двигателей НК-25 (установлены на самолете Ту-22М3), НК-32 (установлены на самолете Ту-160), НК-32-02 (установлены на самолете Ту-160М2), НК-361 (установлены на газотурбовозах ГТ1 и их модификациях), НК-37 (эксплуатируются на промышленных электростанциях).The invention relates to the field of the aviation, energy and gas industry and, in particular, can be used in the operation of gas pumping units (hereinafter referred to as GPU) driven by converted gas turbine engines (hereinafter referred to as GTE) NK-36ST in the conditions of compressor stations of gas transportation enterprises. It is also possible to implement in automatic control systems (hereinafter - ACS) and protection of aircraft engines NK-25 (installed on Tu-22M3 aircraft), NK-32 (installed on Tu-160 aircraft), NK-32-02 (installed on Tu -160M2), NK-361 (installed on GT1 gas turbine locomotives and their modifications), NK-37 (operated at industrial power plants).

При повреждении элементов проточной части газогенератора НК-36СТ, например, вследствие конструктивного или производственного дефекта, существующая антипомпажная защита сигнализирует о развитии последствий данного повреждения, имеющих лавинообразный характер. Среди вторичных последствий первичных повреждений лопаточного аппарата имели место глубокие помпажи осевого компрессора (далее - ОК) и титановый пожар, начинающийся со ступеней компрессора среднего давления. Срабатывание защиты «Помпаж ГТД» при повреждениях газовоздушного тракта (далее - ГВТ) ГТД происходит, чаще всего, в момент непосредственно помпажа ОК, что влечет за собой дополнительные вторичные повреждения деталей и узлов. Повреждаются опорно-упорные шариковые подшипники, опорные элементы, трубопроводная обвязка вспомогательных систем на ГТД, а также лопатки ступеней до венца с повреждением вследствие обратного тока. Выполненный количественный анализ параметров работы шести ГТД перед аварийными остановами по сигналу «Помпаж двигателя» с разрушением проточной части показал, что за период времени от 20 до 180 минут происходило смещение линии совместной работы каскадов ОК из рабочей зоны к границе устойчивой работы на газодинамической характеристике. Описанная функциональная зависимость показана на Фиг.1, где 1 - это предельно допустимое положение линии средней работы, а 2 - граница устойчивой работы.In case of damage to the elements of the flow path of the NK-36ST gas generator, for example, due to a structural or manufacturing defect, the existing anti-surge protection signals the development of the consequences of this damage, which have an avalanche-like nature. Among the secondary consequences of the primary damages of the blade apparatus, there were deep surges of an axial compressor (hereinafter referred to as OC) and a titanium fire starting from the stages of the medium pressure compressor. The operation of the "GTE surge" protection in the event of damage to the gas-air duct (hereinafter referred to as the GHT) of the GTE occurs, most often, at the moment of the OC surge directly, which entails additional secondary damage to parts and assemblies. The support-thrust ball bearings, support elements, piping of auxiliary systems on the gas turbine engine, as well as the blades of the steps up to the crown are damaged, with damage due to reverse current. A quantitative analysis of the operation parameters of six gas turbine engines before emergency shutdowns on the signal "Engine surge" with the destruction of the flow path showed that over a period of 20 to 180 minutes, the line of joint operation of the OC cascades shifted from the working zone to the boundary of stable operation on the gas dynamic characteristic. The described functional dependence is shown in Fig. 1, where 1 is the maximum permissible position of the average work line, and 2 is the boundary of stable work.

Ранее данный недостаток в условиях компрессорных станций компримирования природного газа в целях осуществления трубопроводного транспорта газообразных углеводородов не устранялся. Сведения о подобных технических решениях для применения в авиационной и промышленной отраслях в известных источниках из области техники отсутствуют.Previously, this disadvantage in the conditions of compressor stations for compressing natural gas for the purpose of pipeline transportation of gaseous hydrocarbons was not eliminated. Information about such technical solutions for use in the aviation and industrial industries in the known sources from the field of technology is absent.

Существует «Способ защиты двухконтурного турбореактивного двигателя от раскрутки турбины низкого давления» (патент RU2602644С1,29.10.2015), основанный на контроле параметров работы двухконтурных и/или двухкаскадных ГТД. Предлагается сравнение скольжения роторов турбины высокого давления (далее - ТВД) и турбины низкого давления (далее - ТНД) с базовым значением совместно с контролем изменения частоты вращения ротора ТВД от заведомо известного базового значения.There is a "Method for protecting a two-circuit turbojet engine from spinning a low-pressure turbine" (patent RU2602644С1, October 29, 2015), based on monitoring the operating parameters of two-circuit and / or two-stage gas turbine engines. It is proposed to compare the slip of the rotors of a high-pressure turbine (hereinafter referred to as HPT) and a low-pressure turbine (hereinafter referred to as LPT) with a base value, together with monitoring the change in the rotational speed of the HPT rotor from a known base value.

Недостатком существующего способа является отсутствие оценки текущего технического состояния лопаточного аппарата трехкаскадного ОК ГТД по штатно контролируемым параметрам, вследствие чего отсутствует возможность своевременно производить нормальное или предаварийное отключение такого двигателя на начальных стадиях повреждения элементов ГВТ до наступления стадии разрушения проточной части. Все существующие методы направлены на защиту двухконтурных и/или двухкаскадных ГТД от разрушения в турбинной части газогенератора при рассоединении валов одного из компрессоров с приводной турбиной, например, компрессора низкого давления (далее - КНД) с ТНД.The disadvantage of the existing method is the lack of an assessment of the current technical state of the blades of a three-stage GTE OC according to routinely monitored parameters, as a result of which there is no possibility of timely normal or pre-emergency shutdown of such an engine at the initial stages of damage to the GVT elements before the onset of the stage of destruction of the flow path. All existing methods are aimed at protecting two-circuit and / or two-stage gas turbine engines from destruction in the turbine part of the gas generator when the shafts of one of the compressors are disconnected from the drive turbine, for example, a low-pressure compressor (hereinafter referred to as LPC) with LPT.

Несмотря на техническую сложность построения линии совместной работы и оценки ее отклонения в процессе эксплуатации ГТД, определено, что начало рассогласования каскадов НД, среднего давления (далее - СД) и высокого давления (далее - ВД) ОК проявляется во взаимном нерасчетном отклонении частот вращения соответствующих роторов, что наглядно показано на Фиг.2. Также данная фигура показывает существование единственно возможных нормальных соотношений частот вращения трехкаскадного газогенератора, при котором достигается максимальная эффективность каждого модуля и их работа взаимно согласована. Известно, что увеличение скольжения двух роторов увеличивает коэффициент полезного действия (далее - КПД) совместной работы двух модулей. Однако, при повышении эффективности одной пары каскадов, снижается КПД другой пары. С помощью расчета и сравнения скольжений каскадов СД/НД и ВД/СД стало возможным автоматизированное отслеживание и контроль начала развития дефекта. Было определено, что при нормальной работе двигателя на всех эксплуатационных режимах (исключая пуск, останов ГТД и режимы с открытыми клапанами перепуска воздуха) скольжение роторов СД/НД всегда больше скольжения роторов ВД/СД. Допустимый интервал и сигнализирующий о развитии дефекта в проточной части ОК диапазон скольжений для ГТД НК-36СТ серии Е-300 показаны на Фиг.3. В период развития начальных дефектов и вплоть до аварийного останова ГТД по сигналу «Помпаж ГТД» разница скольжений снижалась до значения 0,010 и стремилась к нулю или достигала отрицательных значений. Анализ эксплуатационных параметров работы исправных ГТД НК-36СТ показал, что во всем диапазоне нагрузок и атмосферных условий работы разница скольжений находилась в диапазоне от 0,010 до 0,075. В связи с конструктивными отличиями в геометрии проточной части ГТД серий Е-300 и Е-100/Е-500 допустимые диапазоны отклонения разницы скольжений качественно отличаются. Для ГТД серий Е100/Е-500 допустимый интервал находится в диапазоне от 0,110 до 0,175. Проведенные количественный и качественный анализы позволили выявить закономерность и судить о разнице скольжений каскадов СД/НД и ВД/СД как о признаке параметрического диагностирования «Отклонение линий совместной работы каскадов ВД, СД, НД ОК» (далее - ΔSвсн) ГТД НК-36СТ.Despite the technical complexity of constructing a joint work line and assessing its deviation during the operation of the gas turbine engine, it was determined that the beginning of the mismatch of the LP, medium pressure (hereinafter referred to as SD) and high pressure (hereinafter HP) OC cascades manifests itself in the mutual off-design deviation of the rotational speeds of the corresponding rotors , which is clearly shown in Fig. 2. Also, this figure shows the existence of the only possible normal ratios of the rotational speeds of a three-stage gas generator, at which the maximum efficiency of each module is achieved and their work is mutually coordinated. It is known that an increase in the slip of two rotors increases the efficiency (hereinafter - the efficiency) of the joint work of two modules. However, as the efficiency of one pair of stages increases, the efficiency of the other pair decreases. By calculating and comparing the slides of the SD / LP and HP / SD cascades, it became possible to automatically track and control the onset of defect development. It was determined that during normal engine operation in all operating modes (excluding starting, stopping the gas turbine engine and modes with open air bypass valves), the slip of the SM / LP rotors is always greater than the slip of the HP / SM rotors. The permissible interval and the sliding range for the NK-36ST GTE of the E-300 series, signaling the development of a defect in the flow path of the OK, are shown in Fig. 3. During the period of development of initial defects and up to the emergency shutdown of the gas turbine engine on the signal "surge of the gas turbine engine", the slip difference decreased to a value of 0.010 and tended to zero or reached negative values. Analysis of operational parameters of serviceable GTE NK-36ST showed that in the entire range of loads and atmospheric operating conditions, the difference in slip was in the range from 0.010 to 0.075. Due to the structural differences in the geometry of the flow path of the gas turbine engine of the E-300 and E-100 / E-500 series, the permissible ranges of deviation of the slip difference are qualitatively different. For gas turbine engines of the E100 / E-500 series, the permissible interval is in the range from 0.110 to 0.175. The carried out quantitative and qualitative analyzes made it possible to identify a pattern and to judge the difference in the slip of the SD / LP and HP / SD cascades as a sign of parametric diagnostics “Deviation of the lines of joint operation of HP, SD, LP OK cascades” (hereinafter - ΔSvsn) of the NK-36ST gas turbine engine.

Задачей изобретения является защита двигателя с трехкаскадным газогенератором от вторичных повреждений и разрушения вследствие помпажа осевого компрессора на начальных стадиях проявления дефектов деталей газовоздушного тракта.The objective of the invention is to protect an engine with a three-stage gas generator from secondary damage and destruction due to the surge of an axial compressor at the initial stages of manifestation of defects in parts of the gas-air duct.

Технический результат - своевременное отключение двигателя (аварийный или вынужденный останов), позволяющее сохранить целостность большинства узлов ГВТ ГТД, в том числе за счет предупреждения помпажа ОК.The technical result is the timely shutdown of the engine (emergency or forced shutdown), which allows maintaining the integrity of most of the units of the gas turbine engine, including by preventing the surge of OK.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается путем внедрения в систему САУ и защиты ГТД расчетного модуля для вычисления и сравнения скольжений роторов газогенератора с выдачей предупредительной и аварийной сигнализации при достижении диагностических параметров граничных значений.The task is solved, and the technical result is achieved by introducing a calculation module into the ACS and GTE protection system for calculating and comparing the slip of the gas generator rotors with the issuance of warning and alarm signals when the diagnostic parameters of the boundary values are reached.

Алгоритм автоматизированного контроля технического состояния ОК ГТД НК-36СТ по скольжениям роторов ВД/СД и СД/НД газогенератора представлен на Фиг.4. В системе САУ ГТД программно добавляют расчетный модуль, состоящий из шести блоков. Блоком 101 постоянно выполняется проверка режима работы ГТД. Если требуемый режим не достигнут, блоком 101 реализуется повторная проверка условий. В момент достижения двигателем эксплуатационных параметров работы, а именно частоты вращения свободной турбины больше 3500 об/мин, приведенной частоты вращения компрессора НД больше 4600 об/мин и, соответственно, подтверждения закрытого положения клапанов перепуска воздуха (далее - КПВ) каскадов СД и ВД, в блоке 102 активируется вычисление скольжений роторов каскадов СД/НД и ВД/СД. Далее блоком 103 рассчитывается разница скольжений роторов СД/НД и ВД/СД, которая является диагностическим признаком ΔSвсн. В связи с отличием границ нормального диапазона данного параметра у ГТД серий Е-300 и Е-100/Е-500 блоком 104 проверяется серия ГТД. В зависимости от определенной модулем серии, блоком 105 реализуется сравнение диагностического параметра ΔSвсн с граничными значениями. При нахождении параметра в диапазоне допустимых значений происходит повторная проверка условий расчета, начиная с блока 101. В случае положительного решения в блоке сравнения 105 в САУ и, впоследствии, оператору выдается сигнализация (предупредительная и аварийная) о рассогласовании каскадов НД, СД, ВД ОК и необходимости выполнения останова ГТД, а также рекомендация к осмотру проточной части ГВТ (блок 106). Блок-схема описывает набор штатно контролируемых системой САУ параметров, а также последовательность логических вычислений и функций сравнения вновь вводимого и рассчитываемого по скольжениям роторов параметра «Отклонение линий совместной работы каскадов ВД, СД, НД ОК» с предельно допустимыми значениями. Частота дискретизации всех вычислений и функций возврата к начальным условиям алгоритма реализуется по частоте измерения частот вращения роторов. Итог алгоритма - сигнализация (предупредительная и аварийная уставки) для системы САУ и оператора о нерасчетной работе ГТД, которая, вероятно, является следствием наличия начальных дефектов проточной части ОК, а также рекомендация к остановке ГТД и проведению осмотра и оценки технического состояния ГВТ. Таким образом, посредством вычисления и сравнения скольжений роторов трехкаскадного газогенератора организуется автоматический контроль взаимной согласованности каскадов НД, СД и ВД ОК ГТД НК-36СТ, осуществляемый с целью оценки технического состояния проточной части, своевременного останова и недопущения помпажа ГТД при повреждении элементов ГВТ, приводящего к многочисленным вторичным повреждениям деталей и узлов ГТД.The algorithm for automated control of the technical condition of the OK GTE NK-36ST by the slides of the HP / SD and SD / LP rotors of the gas generator is shown in Fig. 4. In the ACS GTE system, a calculation module is programmatically added, consisting of six blocks. Block 101 constantly checks the operation mode of the gas turbine engine. If the required mode is not reached, block 101 implements a repeated check of the conditions. At the moment the engine reaches the operating parameters, namely, the rotation speed of the free turbine is more than 3500 rpm, the reduced speed of the LP compressor is more than 4600 rpm and, accordingly, the closed position of the air bypass valves (hereinafter referred to as CPV) of the SD and HP cascades is confirmed, in block 102, the calculation of the slides of the rotors of the MD / LP and HP / SD stages is activated. Next, block 103 calculates the difference between the slip of the rotors SD / LP and HP / SD, which is a diagnostic sign of ΔSvsn. Due to the difference in the boundaries of the normal range of this parameter for the E-300 and E-100 / E-500 GTEs, block 104 checks the GTE series. Depending on the series determined by the module, block 105 implements a comparison of the diagnostic parameter ΔSvsn with the boundary values. When the parameter is in the range of permissible values, the calculation conditions are re-checked, starting from block 101. In case of a positive decision in the comparison unit 105 in the ACS and, subsequently, the operator is given an alarm (warning and emergency) about the mismatch of the LP, SD, VD OK and the need to shutdown the gas turbine engine, as well as a recommendation for inspection of the gas flow section of the gas turbine unit (block 106). The block diagram describes a set of parameters routinely controlled by the ACS system, as well as a sequence of logical calculations and comparison functions of the parameter "Deviation of the lines of joint operation of HP, SD, ND OK cascades" with the maximum permissible values, which is newly introduced and calculated by the rotor slips. The sampling rate of all calculations and functions of returning to the initial conditions of the algorithm is realized by the frequency of measuring the rotational speeds of the rotors. The result of the algorithm is an alarm (warning and emergency settings) for the ACS system and the operator about the off-design operation of the gas turbine engine, which is probably a consequence of the presence of initial defects in the flow path of the OK, as well as a recommendation to stop the gas turbine engine and conduct an inspection and assessment of the technical condition of the gas turbine engine. Thus, by calculating and comparing the slides of the rotors of a three-stage gas generator, automatic control of the mutual consistency of the LP, SD and HP OK GTE NK-36ST cascades is organized to assess the technical condition of the flow path, timely shutdown and prevent gas turbine engine surge in case of damage to the HPT elements, leading to numerous secondary damage to GTE parts and assemblies.

Согласно изобретению предложен способ защиты газотурбинного двигателя с трехкаскадным газогенератором от помпажа с последующим разрушением газовоздушного тракта при возникновении первичных дефектов лопаток и рассогласованиях ступеней осевого компрессора, характеризующийся тем, что в систему автоматического управления и защиты газотурбинного двигателя внедряют расчетный модуль, состоящий из блока проверки эксплуатационного режима работы двигателя, блока расчета скольжений роторов низкого давления (НД), среднего давления (СД) и высокого давления (ВД) осевого компрессора (ОК), блока вычисления разницы скольжений роторов газогенератора как параметра «Отклонение линий совместной работы каскадов ВД, СД, НД ОК», блока проверки серии двигателя, необходимого для выбора допустимого диапазона значений параметра, блока сравнения данного параметра с соответствующими граничными значениями, а также блока выдачи предупредительной и аварийной сигнализации о необходимости отключения двигателя и выполнения оценки технического состояния проточной части осевого компрессора.According to the invention, a method is proposed for protecting a gas turbine engine with a three-stage gas generator from surging with subsequent destruction of the gas-air duct in the event of primary blade defects and misalignments of the axial compressor stages, characterized in that a computational module is introduced into the automatic control and protection system of the gas turbine engine, consisting of a unit for checking the operating mode engine operation, block for calculating the slip of rotors of low pressure (LP), medium pressure (MD) and high pressure (HP) of an axial compressor (OC), block for calculating the slip difference of gas generator rotors as a parameter "Deviation of lines of joint operation of cascades HP, SD, LP OK ", A block for checking the engine series, which is necessary to select the permissible range of parameter values, a block for comparing this parameter with the corresponding limit values, as well as a block for issuing a warning and alarm signaling the need to turn off the engine and is executed and evaluation of the technical condition of the flow path of an axial compressor.

Claims

A method of protecting a gas turbine engine with a three-stage gas generator from surging followed by destruction of the gas-air duct in the event of primary blade defects and misalignments of axial compressor stages, characterized by the fact that a computational module is introduced into the automatic control and protection system of a gas turbine engine, consisting of a unit for checking the operating mode of the engine, the unit for calculating the slip of the rotors of low pressure (LP), medium pressure (MD) and high pressure (HP) of an axial compressor (OC), the unit for calculating the slip difference of the gas generator rotors as a parameter "Deviation of the lines of joint operation of the cascades HP, SD, LP OK", block checking the engine series, necessary to select the permissible range of parameter values, a block for comparing this parameter with the corresponding limit values, as well as a warning and alarm signaling unit about the need to turn off the engine and assess the technical condition I of the flow path of the axial compressor.