RU2789169C1 - Method for detecting surging and rotating stall of a compressor - Google Patents

Method for detecting surging and rotating stall of a compressor Download PDF

Info

Publication number
RU2789169C1
RU2789169C1 RU2022109090A RU2022109090A RU2789169C1 RU 2789169 C1 RU2789169 C1 RU 2789169C1 RU 2022109090 A RU2022109090 A RU 2022109090A RU 2022109090 A RU2022109090 A RU 2022109090A RU 2789169 C1 RU2789169 C1 RU 2789169C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
compressor
signal
parameter
ratio
average value
Prior art date
Application number
RU2022109090A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Маркович Зеликин
Виктор Владимирович Королев
Алексей Александрович Инюкин
Андрей Геннадьевич Синицын
Original Assignee
Публичное акционерное общество "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО")
Filing date
Publication date
Application filed by Публичное акционерное общество "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") filed Critical Публичное акционерное общество "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО")
Application granted granted Critical
Publication of RU2789169C1 publication Critical patent/RU2789169C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: engine building.
SUBSTANCE: invention relates to the field of aviation engine building. Method for detecting surging and rotating stall of a compressor is characterised by measuring the characteristic parameter Pc of compressor operation, forming the average value PcAV of the Pc parameter with a low-pass filter, forming a signal PcHF of the high-frequency component of the Pc parameter with a high-pass filter, forming the average level
Figure 00000017
of the absolute value of the signal PcHF of the high-frequency component of the parameter, calculating the ratio (
Figure 00000018
) of the value
Figure 00000017
to the average value PcAV of the parameter, and if the ratio
Figure 00000018
of the first predetermined threshold is exceeded, forming a signal on the first signalling apparatus, forming the deviation ΔPc of the parameter from the average value thereof PcAV, calculating the ratio (ΔPc/PcAV) of the deviation ΔPc to the average value of the parameter, and if the ratio ΔPc/PcAV falls below the second predetermined threshold, forming a signal on a second signalling apparatus, and if any of the signals of the signalling apparatus are present, forming a signal of surging/rotating stall of the compressor, so as to activate means of eliminating surging and rotating stall of the compressor in accordance thereto.
EFFECT: reduced probability of destruction of the compressor and loss of thrust in case of unstable operation of the compressor due to the reduced reaction time of the means of eliminating surging and rotating stall of the compressor and determined end time of unstable operation of the compressor.
5 cl, 3 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей (ГТД). Изобретение касается обнаружения помпажа и вращающегося срыва компрессора и может быть применено для любых типов газотурбинных двигателей, в частности, для авиационных газотурбинных двигателей, таких как турбореактивные двигатели, турбовинтовые двигатели и т.д.The present invention relates to the field of gas turbine engines (GTE). The invention relates to the detection of compressor surge and rotational stall and can be applied to all types of gas turbine engines, in particular to aircraft gas turbine engines such as turbojet engines, turboprop engines, etc.

Известен способ обнаружения помпажа компрессора, включающий измерение параметров компрессора, определение знака и вычисление величины производных по времени от этих параметров, сравнение каждой производной со своим пороговым значением и формирование дискретных сигналов превышения производными от параметров своих пороговых значений, при этом все дискретные сигналы превышения производными от параметров своих пороговых значений задерживают на заданное время, и сигнал помпажа формируют при наличии одновременно двух или более задержанных дискретных сигналов о превышении производными от параметров своих пороговых значений. В частном случае для формирования сигнала помпажа в зависимости от конкретных особенностей компрессора, условий его эксплуатации и типа его привода с пороговыми значениями сравнивают все или некоторые из следующих производных по времени от параметров: положительные производные от давления всасывания, давления в характерной точке проточной части, частоты вращения ротора и отрицательные производные от давления нагнетания, разности давлений нагнетания и всасывания, перепада давления на местном сопротивлении во входном или выходном патрубке, потребляемой компрессором мощности (RU 2263234 С1, МПК F04D 27/02, опубл. 2005).A known method for detecting compressor surge, including measuring the parameters of the compressor, determining the sign and calculating the value of the time derivatives of these parameters, comparing each derivative with its threshold value and generating discrete signals that the derivatives of the parameters exceed their threshold values, with all discrete signals exceeding the derivatives of the parameters of their threshold values are delayed for a predetermined time, and a surge signal is generated in the presence of two or more delayed discrete signals simultaneously about the excess of the derivatives of the parameters of their threshold values. In a particular case, to generate a surge signal, depending on the specific features of the compressor, its operating conditions and the type of its drive, all or some of the following time derivatives of the parameters are compared with threshold values: positive derivatives of suction pressure, pressure at a characteristic point of the flow path, frequency rotor rotation and negative derivatives of discharge pressure, pressure difference between discharge and suction, pressure drop across local resistance in the inlet or outlet pipe, power consumed by the compressor (RU 2263234 C1, IPC F04D 27/02, publ. 2005).

В результате анализа известного способа необходимо отметить, что сигналы давления (или разности давлений) воздуха в компрессоре газотурбинного двигателя имеют широкий спектр, и дифференцирование сигналов приводит к увеличению высокочастотных шумов. При использовании производных для формирования сигнала помпажа есть риск формирования ложных сигналов, в частности, при нестабильных процессах в камере сгорания (например, при подключении в работу очередного топливного коллектора). Одним из способов помехозащищенности является использование нескольких сигналов по схеме «И». Однако данный способ ведет к проблемам, связанным с совмещением сигналов по времени (фазирование), и, следовательно, к потере быстродействия. Поэтому для помехозащищенности систем противопомпажной защиты двигателя целесообразным является использование полосовых фильтров, настроенных на фактические частоты помпажных колебаний.As a result of the analysis of the known method, it should be noted that the signals of pressure (or pressure difference) of air in the compressor of a gas turbine engine have a wide spectrum, and signal differentiation leads to an increase in high-frequency noise. When using derivatives to generate a surge signal, there is a risk of generating false signals, in particular, during unstable processes in the combustion chamber (for example, when another fuel manifold is put into operation). One of the methods of noise immunity is the use of several signals according to the “AND” scheme. However, this method leads to problems associated with the combination of signals in time (phasing), and, consequently, to loss of performance. Therefore, for the noise immunity of anti-surge motor protection systems, it is advisable to use band-pass filters tuned to the actual frequencies of surge oscillations.

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ обнаружения помпажа и вращающегося срыва компрессора газотурбинного двигателя, включающий контроль колебаний давления воздуха за компрессором двигателя и формирование сигнала на включение средств ликвидации помпажа, например сигнала на ограничение подачи топлива, при этом колебания давления воздуха за компрессором контролируют параллельно широкополосным и низкочастотным сигнализаторами помпажа, причем сигнал низкочастотного сигнализатора помпажа сохраняют в течение заданного времени, соответствующего максимально возможной длительности ликвидации помпажа, и при получении одновременно сигналов от обоих сигнализаторов помпажа формируют сигнал на включение средств ликвидации помпажа, который подают с задержкой на заданное время, соответствующее длительности одного низкочастотного помпажного колебания давления воздуха за компрессором, при условии сохранения сигнала от широкополосного сигнализатора по истечении указанного заданного времени задержки (RU 2374143 С1, МПК B64D 31/00, опубл. 2009).Closest to the claimed invention in terms of technical essence and achieved technical result is a method for detecting surge and rotating stall of a gas turbine engine compressor, including monitoring air pressure fluctuations behind the engine compressor and generating a signal to turn on surge elimination means, for example, a signal to limit fuel supply, while fluctuations the air pressure behind the compressor is controlled in parallel by broadband and low-frequency surge alarms, and the signal of the low-frequency surge alarm is maintained for a predetermined time corresponding to the maximum possible duration of surge elimination, and upon receipt of signals from both surge alarms simultaneously, a signal is generated to turn on the surge elimination means, which is fed from delay for a specified time, corresponding to the duration of one low-frequency surging air pressure fluctuation after the compressor, provided that the signal from the rockband signaling device after the specified specified delay time (RU 2374143 C1, IPC B64D 31/00, publ. 2009).

В результате анализа данного способа необходимо отметить, что сигнал помпажа формируется по двум сигнализаторам, выходы которых объединяются по схеме «И». Как было отмечено выше, такое решение снижает вероятность ложного формирования сигнала, но ведет к увеличению времени реакции системы. Также использование схемы «И» не позволяет определить момент выхода компрессора из вращающегося срыва: низкочастотный сигнализатор помпажа сообщает только о моменте начала вращающегося срыва, и его сигнал сразу обнуляется, что приводит к обнулению выхода схемы «И». Как следствие, возникает необходимость вводить при снятии сигнала помпажа заранее заданные задержки. Выбор таких задержек является трудоемким процессом. При выборе сравнительно небольших задержек существует риск, что за такое время снижения расхода топлива помпаж (или вращающийся срыв) не будет ликвидирован. Увеличение задержек приводит к существенному снижению режима работы двигателя и опасной потере тяги.As a result of the analysis of this method, it should be noted that the surge signal is formed by two signaling devices, the outputs of which are combined according to the "AND" scheme. As noted above, such a solution reduces the probability of false signal generation, but leads to an increase in the system response time. Also, the use of the "AND" scheme does not allow determining the moment when the compressor exits the rotational stall: the low-frequency surge alarm only reports the moment of the beginning of the rotational stall, and its signal is immediately reset to zero, which leads to the zeroing of the output of the "AND" scheme. As a result, it becomes necessary to introduce predetermined delays when removing the surge signal. The choice of such delays is a laborious process. By choosing relatively small delays, there is a risk that the surge (or rotational stall) will not be eliminated during such a decrease in fuel consumption. The increase in delays leads to a significant reduction in engine performance and a dangerous loss of traction.

Задачей заявленного изобретения является повышение надежности работы компрессора.The objective of the claimed invention is to improve the reliability of the compressor.

Техническим результатом настоящего изобретения является снижение вероятности разрушения компрессора и потерь тяги при неустойчивой работе компрессора за счет снижения времени реакции средств ликвидации помпажа и вращающегося срыва компрессора и определения момента окончания неустойчивой работы компрессора.The technical result of the present invention is to reduce the probability of destruction of the compressor and loss of thrust during unstable operation of the compressor by reducing the reaction time of the means for eliminating surge and rotating stall of the compressor and determining the moment when the unstable operation of the compressor ends.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе обнаружения помпажа и вращающегося срыва компрессора измеряют характерный параметр Пк работы компрессора, формируют среднее значение ПкСР параметра Пк фильтром низкой частоты, формируют сигнал ПкВЧ высокочастотной составляющей параметра Пк фильтром высокой частоты, формируют средний уровень

Figure 00000001
абсолютного значения сигнала ПкВЧ высокочастотной составляющей параметра, вычисляют отношение (
Figure 00000002
) величины
Figure 00000003
к среднему значению ПкСР параметра, и при превышении отношения
Figure 00000004
первого заранее определенного порога формируют сигнал на первом сигнализаторе, формируют отклонение ΔПк параметра от его среднего значения ПкСР, вычисляют отношение (ΔПк/ПкСР) отклонения ΔПк к среднему значению параметра, и при снижении отношения ΔПк/ПкСР ниже второго заранее определенного порога формируют сигнал на втором сигнализаторе, а при наличии любого из сигналов сигнализаторов формируют сигнал помпажа/вращающегося срыва компрессора, в соответствии с которым включают средства ликвидации помпажа и вращающегося срыва компрессора.The specified technical result is achieved by the fact that in the method for detecting surge and rotating stall of the compressor, the characteristic parameter Pk of compressor operation is measured, the average value of Pk SR of the parameter Pk is formed by a low-frequency filter, the signal Pk of the high-frequency component of the parameter Pk is formed by a high-frequency filter, the average level is formed
Figure 00000001
the absolute value of the signal PK RF high-frequency component of the parameter, calculate the ratio (
Figure 00000002
) values
Figure 00000003
to the average value of PC SR parameter, and when the ratio is exceeded
Figure 00000004
of the first predetermined threshold, a signal is generated on the first signaling device, the deviation ΔPk of the parameter from its average value Pk SR is formed, the ratio (ΔPk / Pk SR ) of the deviation ΔPk to the average value of the parameter is calculated, and when the ratio ΔPk / Pk SR decreases below the second predetermined threshold, a a signal on the second signaling device, and in the presence of any of the signals of the signaling devices, a compressor surge/rotating stall signal is generated, in accordance with which the compressor surge and rotating stall elimination means are turned on.

Существенные признаки могут иметь развитие и дополнение.Significant features may have development and addition.

В качестве характерного параметра работы компрессора используют сигнал давления воздуха за последней ступенью компрессора.The air pressure signal behind the last stage of the compressor is used as a characteristic parameter of the compressor operation.

В качестве характерного параметра работы компрессора используют сигнал перепада давления на местном сопротивлении во входном или выходном патрубке компрессора.As a characteristic parameter of the compressor operation, the pressure drop signal at the local resistance in the compressor inlet or outlet pipe is used.

В качестве фильтра низкой частоты используется выполненный в виде последовательно включенных и охваченных обратными связями интеграторов фильтр Баттерворта не ниже второго порядка, а в качестве сигнала высокочастотной составляющей параметра используется входной сигнал первого интегратора.As a low-frequency filter, a Butterworth filter of at least the second order, made in the form of series-connected and feedback-covered integrators, is used, and the input signal of the first integrator is used as a signal of the high-frequency component of the parameter.

Для формирования среднего уровня абсолютного значения параметра используют нерекурсивный фильтр с заранее определенным временным окном.To form the average level of the absolute value of the parameter, a non-recursive filter with a predetermined time window is used.

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

на фиг. 1 - схема системы, реализующей заявленный способ;in fig. 1 is a diagram of a system that implements the claimed method;

на фиг. 2 - график переходного процесса при вращающемся срыве компрессора;in fig. 2 is a graph of the transient process during a rotating compressor stall;

фиг. 3 - схема фильтра Баттерворта третьего порядка, выполненного на интеграторах, охваченных обратными связями.fig. 3 is a diagram of a Butterworth filter of the third order, made on integrators covered by feedback.

Система (фиг. 1) содержит датчик 1 измерения характерного параметра Пк работы компрессора, например, давления воздуха за его последней ступенью.The system (Fig. 1) contains a sensor 1 for measuring the characteristic parameter Pk of the compressor operation, for example, the air pressure behind its last stage.

Выход датчика 1 подключен к первому фильтру 2 низкой частоты (ФНЧ), к последовательно соединенным фильтру 3 высокой частоты (ФВЧ), выпрямителю 4 и второму фильтру 5 низкой частоты, и второму (инвертирующему) входу сумматора 6. К первому входу сумматора 6 подключен выход первого ФНЧ 2.The output of the sensor 1 is connected to the first low-frequency filter 2 (LPF), to the series-connected high-frequency filter 3 (HPF), the rectifier 4 and the second low-frequency filter 5, and the second (inverting) input of the adder 6. The output is connected to the first input of the adder 6. first LPF 2.

Система содержит два делителя 7 и 8. К входу делителя 7 подключен выход второго ФНЧ 5, к входу делителя 8 - выход первого ФНЧ 2. К входу делимого делителя 8 подключен выход сумматора 6, к входу делимого делителя 7 - выход первого ФНЧ 2.The system contains two dividers 7 and 8. The output of the second low-pass filter 5 is connected to the input of the divider 7, the output of the first low-pass filter 2 is connected to the input of the divider 8. The output of the adder 6 is connected to the input of the divisible divider 8, the output of the first low-pass filter 2 is connected to the input of the dividend divider 7.

Система содержит два компаратора 9 и 10 и логический элемент 11 «ИЛИ». К входу первого компаратора 9 подключен выход делителя 7, а к входу второго компаратора 10 - выход делителя 8. Выходы компараторов 9 и 10 подключены к входам логического элемента 11 «ИЛИ».The system contains two comparators 9 and 10 and a logical element 11 "OR". The output of the divider 7 is connected to the input of the first comparator 9, and the output of the divider 8 is connected to the input of the second comparator 10. The outputs of the comparators 9 and 10 are connected to the inputs of the logic element 11 "OR".

ФНЧ 2 формирует на своем выходе среднее значение ПкСР характерного параметра работы компрессора.LPF 2 generates at its output the average value of Pc SR characteristic parameter of the compressor.

ФВЧ 3 формирует на своем выходе сигнал ПкВЧ высокочастотной составляющей характерного параметра работы компрессора.HPF 3 generates at its output signal PC RF high-frequency component of the characteristic parameter of the compressor.

ФНЧ 5 формирует на своем выходе средний уровень

Figure 00000003
абсолютного значения высокочастотной составляющей характерного параметра работы компрессора.LPF 5 generates an average level at its output
Figure 00000003
the absolute value of the high-frequency component of the characteristic parameter of the compressor.

Сумматор 6 формирует отклонение ΔПк характерного параметра работы компрессора от его среднего уровня:The adder 6 generates the deviation ΔPk of the characteristic parameter of the compressor from its average level:

ΔПк=ПкСР-Пк.ΔPk=Pk SR -Pk.

Делитель 7 формирует отношение

Figure 00000005
Divisor 7 forms a ratio
Figure 00000005

Делитель 8 формирует отношение ΔПк/ПкСР.Divider 8 forms the ratio ΔPk/Pk SR .

Цепь элементов 3, 4, 5, 7, 9 представляет собой первый сигнализатор, цепь элементов 2, 6, 8, 10 - второй.The chain of elements 3, 4, 5, 7, 9 is the first signaling device, the chain of elements 2, 6, 8, 10 is the second.

Логический элемент ИЛИ 11 формирует на своем выходе сигнал «Помпаж/Вращающийся срыв».The logical element OR 11 generates at its output the signal "Surge/Rotating Stall".

Система может быть скомпонована из известных блоков и элементов.The system can be assembled from known blocks and elements.

В качестве датчика 1 измерения характерного параметра работы компрессора могут использоваться тензорезистивные датчики давления воздуха или газа, измеряющие давление в характерных точках компрессора, например за его последней ступенью, или тензорезистивные датчики перепада давления на местном сопротивлении во входном или выходном патрубке или Т-образном насадке.As sensor 1 for measuring a characteristic parameter of the compressor operation, tensoresistive air or gas pressure sensors can be used that measure pressure at characteristic points of the compressor, for example, behind its last stage, or tensoresistive pressure drop sensors at local resistance in the inlet or outlet pipe or T-shaped nozzle.

Использующиеся в системе фильтры низкой и высокой частоты являются стандартными, например в качестве первого ФНЧ 2 и ФВЧ 3 может быть использован известный фильтр Баттерворта третьего порядка. В качестве второго ФНЧ 5 может использоваться аналоговый фильтр первого порядка или цифровой нерекурсивный фильтр скользящего среднего с заранее определенным временным окном.The low and high frequency filters used in the system are standard, for example, the well-known third-order Butterworth filter can be used as the first LPF 2 and HPF 3. The second LPF 5 can be a first order analog filter or a digital non-recursive moving average filter with a predetermined time window.

Постоянные времени аналоговых фильтров и временное окно нерекурсивного фильтра зависят от частоты колебаний давления воздуха при помпаже и вращающемся срыве, а также от динамических характеристик компрессора.The time constants of the analog filters and the time window of the non-recursive filter depend on the frequency of air pressure fluctuations during surge and rotational stall, as well as on the dynamic characteristics of the compressor.

Выпрямитель 4, делители 7, 8, сумматор 6, компараторы 9, 10, логический элемент 11 «ИЛИ» являются стандартными.Rectifier 4, dividers 7, 8, adder 6, comparators 9, 10, logic element 11 "OR" are standard.

Второй вход сумматора 6 является инвертирующим.The second input of the adder 6 is inverting.

Первый компаратор 9 формирует на своем выходе сигнал логической единицы при превышении входной величины компаратора 9 заранее определенного порога.The first comparator 9 generates at its output a logic one signal when the input value of the comparator 9 exceeds a predetermined threshold.

Второй компаратор 10 формирует на своем выходе сигнал логической единицы при снижении входной величины компаратора 10 ниже заранее определенного порога.The second comparator 10 generates at its output a logic one signal when the input value of the comparator 10 falls below a predetermined threshold.

Пороги срабатывания компараторов 9, 10 выбираются в зависимости от характеристик компрессора: уровня снижения характерного параметра работы компрессора и амплитуды его колебаний при возникновении помпажа или вращающегося срыва.The response thresholds of the comparators 9, 10 are selected depending on the characteristics of the compressor: the level of reduction of the characteristic parameter of the compressor and the amplitude of its oscillations in the event of surge or rotational stall.

В качестве характерного параметра может использоваться любой параметр, характеризующий устойчивость работы компрессора, например давление воздуха за последней ступенью компрессора или перепад давлений на местном сопротивлении. Выбор характерного параметра не влияет на логику работы противопомпажной защиты. Ниже рассматривается пример, когда в качестве характерного параметра используется давление за последней ступенью компрессора.As a characteristic parameter, any parameter characterizing the stability of the compressor operation can be used, for example, the air pressure behind the last stage of the compressor or the pressure drop across the local resistance. The choice of a characteristic parameter does not affect the logic of the anti-surge protection. An example is considered below, when the pressure after the last stage of the compressor is used as a characteristic parameter.

При устойчивой работе компрессора на установившихся и в переходных режимах работы двигателя пульсации давления за последней ступенью компрессора практически отсутствуют, и за счет выбора частоты среза фильтра высокой частоты ФВЧ 3 формирует на своем выходе сигнал, близкий к нулю, который, пройдя через выпрямитель 4 и будучи отфильтрован ФНЧ 5, приведет к формированию нулевого сигнала на входе делителя 7, а следовательно, нулевого сигнала на выходе делителя 7, и срабатывания компаратора 9 не произойдет. В свою очередь, средний уровень давления, формируемый первым ФНЧ 2, практически совпадает с его мгновенным значением, измеренным датчиком 1. На сумматоре 6 формируется нулевой сигнал, на выходе делителя 8 также формируется нулевой сигнал, и срабатывания компаратора 10 не происходит. На выходе элемента «ИЛИ» 11 также нулевой сигнал.With stable operation of the compressor at steady and transient engine operation, there are practically no pressure pulsations behind the last stage of the compressor, and due to the choice of the cutoff frequency of the high-frequency filter, HPF 3 generates a signal at its output that is close to zero, which, having passed through rectifier 4 and being filtered by LPF 5, will lead to the formation of a zero signal at the input of the divider 7, and consequently, a zero signal at the output of the divider 7, and the operation of the comparator 9 will not occur. In turn, the average pressure level generated by the first LPF 2 practically coincides with its instantaneous value measured by sensor 1. A zero signal is formed at the adder 6, a zero signal is also formed at the output of the divider 8, and comparator 10 does not operate. The output of the element "OR" 11 is also a zero signal.

За счет выбора частоты среза ФНЧ 2 сигнал среднего уровня давления, формируемый первым ФНЧ 2, практически совпадает с его мгновенным значением, или величина относительного отклонения (формируется делителем 8) столь мала, что срабатывания компаратора 10 не происходит. Высокочастотные пульсации, характерные для режима вращающегося срыва, отсутствуют. На выходе элемента «ИЛИ» 11 также нулевой сигнал.By choosing the cutoff frequency of the LPF 2, the signal of the average pressure level generated by the first LPF 2 practically coincides with its instantaneous value, or the relative deviation (formed by the divider 8) is so small that the comparator 10 does not operate. There are no high-frequency pulsations characteristic of the rotating stall regime. The output of the element "OR" 11 is also a zero signal.

При возникновении неустойчивой работы компрессора происходит резкое снижение давления за его последней ступенью (см. график на фиг. 2).When an unstable operation of the compressor occurs, a sharp decrease in pressure occurs behind its last stage (see the graph in Fig. 2).

На графике иллюстрируются:The graph illustrates:

PK - изменение давления воздуха за последней ступенью компрессора при возникновении вращающегося срыва;P K - change in air pressure behind the last stage of the compressor in the event of a rotating stall;

U9 - сигнал на первом сигнализаторе (сигнал компаратора 9);U 9 - signal on the first signaling device (comparator signal 9);

U10 - сигнал на втором сигнализаторе (сигнал компаратора 10).U 10 - signal on the second signaling device (signal of the comparator 10).

При этом возникает рассогласование между мгновенным значением параметра Пк и его средним значением, сформированным ФНЧ 2. Рассогласование имеет отрицательный знак (мгновенное давление больше среднего). При снижении значения рассогласования ниже порога срабатывания компаратора 10, компаратор 10 формирует на своем выходе единичный сигнал, который приводит к формированию сигнала «Помпаж/Вращающийся срыв» на логическом элементе 11. Данный сигнализатор не имеет в своей структуре задержек, поэтому реакция системы определяется скоростью снижения давления при возникновении неустойчивой работы компрессора.In this case, there is a discrepancy between the instantaneous value of the Pk parameter and its average value formed by LPF 2. The discrepancy has a negative sign (the instantaneous pressure is greater than the average). When the error value decreases below the threshold of operation of the comparator 10, the comparator 10 generates a single signal at its output, which leads to the formation of the “Surge / Rotating Stall” signal on the logic element 11. This signaling device does not have delays in its structure, therefore the system response is determined by the rate of decline pressure in case of unstable operation of the compressor.

Вслед за снижением давления возникают пульсационные колебания давления в тракте компрессора характерной высокой частоты (см. фиг. 2). ФВЧ 3 выделяет эти колебания, затем выпрямитель 4 и ФНЧ 5 формируют сигнал, эквивалентный среднему уровню высокочастотных колебаний. Делитель 7 формирует относительный уровень высокочастотных колебаний. При превышении этого уровня порога срабатывания компаратора 9, компаратор срабатывает.Following the decrease in pressure, pulsating pressure oscillations occur in the compressor path of characteristic high frequency (see Fig. 2). HPF 3 selects these oscillations, then rectifier 4 and LPF 5 form a signal equivalent to the average level of high-frequency oscillations. Divider 7 forms the relative level of high-frequency oscillations. When this level is exceeded, the threshold of operation of the comparator 9, the comparator is triggered.

По мере приближения среднего уровня давления (разрядка фильтра), формируемого ФНЧ 2, к его Мгновенному значению, относительный сигнал отклонения, формируемый делителем 8, падает, и компаратор 10 формирует нулевой сигнал. Пока в воздушном тракте компрессора присутствуют пульсационные колебания, на выходе компаратора 9 сохраняется единичный сигнал. Как следствие, на выходе элемента «ИЛИ» 11 поддерживается единичный сигнал.As the average pressure level (filter discharging) generated by the LPF 2 approaches its Instantaneous value, the relative deviation signal generated by the divider 8 drops, and the comparator 10 generates a zero signal. As long as there are pulsating oscillations in the air path of the compressor, a single signal is stored at the output of the comparator 9. As a consequence, the output of the element "OR" 11 is supported by a single signal.

Средства ликвидации помпажа и вращающегося срыва компрессора выполняют необходимые действия для восстановления устойчивой работы компрессора и могут быть выполнены различными способами, в частности в виде системы ликвидации неустойчивой работы компрессора.Compressor surge and rotational stall elimination means perform the necessary actions to restore stable operation of the compressor and can be implemented in various ways, in particular in the form of a compressor instability elimination system.

Задачей системы ликвидации неустойчивой работы компрессора является повысить запасы устойчивости компрессора, что достигается снижением режима работы компрессора и расхода воздуха через него. В зависимости от конструктивных особенностей компрессора система может подавать команды на прикрытие входных направляющих аппаратов компрессора, открытие противопомпажных клапанов и клапанов перепуска воздуха. При применении компрессора в составе газотурбинных двигателей система также подает команду на снижение расхода топлива в камеру сгорания ГТД.The task of the system to eliminate the unstable operation of the compressor is to increase the stability margins of the compressor, which is achieved by reducing the operating mode of the compressor and the air flow through it. Depending on the design features of the compressor, the system can issue commands to cover the compressor inlet guide vanes, open anti-surge valves and air bypass valves. When using a compressor as part of gas turbine engines, the system also sends a command to reduce fuel consumption in the combustion chamber of the gas turbine engine.

Когда устойчивая работа компрессора восстанавливается, уровень пульсационных колебаний падает, происходит обратное срабатывание компаратора 9 и снятие сигнала «Помпаж/Вращающийся срыв» на элементе 11 «ИЛИ» (см. фиг. 2).When the stable operation of the compressor is restored, the level of pulsation oscillations drops, the comparator 9 reverses and the “Surge/Rotary Stall” signal is removed at the “OR” element 11 (see Fig. 2).

Помехозащищенность и, как следствие, надежность работы системы определяется частотными характеристиками фильтров высокой и низкой частоты, которые должны обеспечивать в переходных режимах работы выделение провала давления и пульсационной составляющей.Noise immunity and, as a result, the reliability of the system operation is determined by the frequency characteristics of the high and low frequency filters, which should ensure the isolation of the pressure dip and the pulsation component in transient operating modes.

Среднее значение и переменную составляющую характерного параметра работы компрессора можно выделить с помощью фильтра Баттерворта, например, реализованного с помощью интеграторов, охваченными обратными связями (см. фиг. 3). Выход последнего интегратора представляет собой среднее значение давления за компрессором, сигнал, поступающий на вход первого интегратора - переменная составляющая давления. Порядок фильтра определяется требованиями к затуханию в переходной области, необходимого для частотной селекции переходных режимов системы управления и колебаний давления при потере газодинамической устойчивости.The average value and the variable component of the characteristic parameter of the compressor operation can be distinguished using a Butterworth filter, for example, implemented using integrators covered by feedback (see Fig. 3). The output of the last integrator is the average value of the pressure after the compressor, the signal coming to the input of the first integrator is the variable pressure component. The order of the filter is determined by the requirements for attenuation in the transition region, which is necessary for frequency selection of the transition modes of the control system and pressure fluctuations in the event of loss of gas-dynamic stability.

Предлагаемый способ обеспечивает надежное формирование сигнала неустойчивой работы компрессора, сигнализирует об окончании неустойчивой работы и обеспечивает практически мгновенную реакцию системы ликвидации помпажа. Применение способа повышает надежность работы компрессора и снижает время потери тяги двигателем.The proposed method provides reliable formation of a signal of unstable operation of the compressor, signals the end of unstable operation and provides an almost instantaneous response of the surge elimination system. The application of the method increases the reliability of the compressor and reduces the time of loss of thrust by the engine.

Claims (15)

1. Способ обнаружения помпажа и вращающегося срыва компрессора, характеризующийся тем, что:1. A method for detecting compressor surge and rotational stall, characterized in that: измеряют характерный параметр Пк работы компрессора,measure the characteristic parameter PC of the compressor operation, формируют среднее значение ПкСР параметра Пк фильтром низкой частоты,form the average value of PK SR parameter PK by a low-pass filter, формируют сигнал ПкВЧ высокочастотной составляющей параметра Пк фильтром высокой частоты,form a signal Pk of the high-frequency component of the parameter Pk by a high-frequency filter, формируют средний уровень
Figure 00000006
абсолютного значения сигнала ПкВЧ высокочастотной составляющей параметра,
form the middle level
Figure 00000006
the absolute value of the signal PC RF high-frequency component of the parameter,
вычисляют отношение (
Figure 00000007
) величины
Figure 00000008
к среднему значению ПкСР параметра,
calculate the ratio (
Figure 00000007
) values
Figure 00000008
to the average value of PC SR parameter,
и при превышении отношения
Figure 00000009
первого заранее определенного порога формируют сигнал на первом сигнализаторе,
and when exceeding the ratio
Figure 00000009
the first predetermined threshold form a signal on the first signaling device,
формируют отклонение ΔПк параметра от его среднего значения ПкСР,form the deviation ΔPk of the parameter from its average value Pk SR , вычисляют отношение (ΔПк/ПкСР) отклонения ΔПк к среднему значению параметра,calculate the ratio (ΔPk/Pk SR ) of the deviation ΔPk to the average value of the parameter, и при снижении отношения ΔПк/ПкСР ниже второго заранее определенного порога формируют сигнал на втором сигнализаторе,and when the ratio ΔPk/Pk SR decreases below the second predetermined threshold, a signal is generated on the second signaling device, а при наличии любого из сигналов сигнализаторов формируют сигнал помпажа/вращающегося срыва компрессора, в соответствии с которым включают средства ликвидации помпажа и вращающегося срыва компрессора.and in the presence of any of the signaling devices, a compressor surge/rotating stall signal is generated, in accordance with which the compressor surge and rotating stall elimination means are turned on. 2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве характерного параметра работы компрессора используют сигнал давления воздуха за последней ступенью компрессора.2. The method according to p. 1, characterized in that the air pressure signal downstream of the last stage of the compressor is used as a characteristic parameter of the compressor operation. 3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве характерного параметра работы компрессора используют сигнал перепада давления на местном сопротивлении во входном или выходном патрубке компрессора.3. The method according to claim 1, characterized in that the pressure drop signal at the local resistance in the inlet or outlet pipe of the compressor is used as a characteristic parameter of the compressor operation. 4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве фильтра низкой частоты используется выполненный в виде последовательно включенных и охваченных обратными связями интеграторов фильтр Баттерворта не ниже второго порядка, а в качестве сигнала высокочастотной составляющей параметра используется входной сигнал первого интегратора.4. The method according to claim 1, characterized in that as a low-frequency filter, a Butterworth filter of at least the second order is used as a low-frequency filter, and the input signal of the first integrator is used as a signal of the high-frequency component of the parameter. 5. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что для формирования среднего уровня абсолютного значения параметра используют нерекурсивный фильтр с заранее определенным временным окном.5. The method according to claim 1, characterized in that a non-recursive filter with a predetermined time window is used to form the average level of the absolute value of the parameter.
RU2022109090A 2022-04-06 Method for detecting surging and rotating stall of a compressor RU2789169C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2789169C1 true RU2789169C1 (en) 2023-01-30

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2374143C1 (en) * 2008-06-24 2009-11-27 Открытое Акционерное Общество "Московский Вертолетный Завод Им. М.Л. Миля" Method of anti-surge protection of gas turbine engine
RU2730780C1 (en) * 2017-07-10 2020-08-25 Праксайр Текнолоджи, Инк. Anti-surge control of rotors rotation speed for two or more compressors
RU2751467C1 (en) * 2020-10-29 2021-07-14 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method for rapid diagnostics of pre-surge condition of gas turbine engines of aircraft

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2374143C1 (en) * 2008-06-24 2009-11-27 Открытое Акционерное Общество "Московский Вертолетный Завод Им. М.Л. Миля" Method of anti-surge protection of gas turbine engine
RU2730780C1 (en) * 2017-07-10 2020-08-25 Праксайр Текнолоджи, Инк. Anti-surge control of rotors rotation speed for two or more compressors
RU2751467C1 (en) * 2020-10-29 2021-07-14 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method for rapid diagnostics of pre-surge condition of gas turbine engines of aircraft

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5726891A (en) Surge detection system using engine signature
EP1540188B1 (en) System and method for detecting rotating stall in a centrifugal compressor
EP2129921B1 (en) Method for detecting rotating stall in a compressor
US6536284B2 (en) Method and apparatus for compressor control and operation via detection of stall precursors using frequency demodulation of acoustic signatures
JPH0580576B2 (en)
US20080034753A1 (en) Turbocharger Systems and Methods for Operating the Same
JP2004124946A (en) Method and system for detecting stall of compressor or sign of surge
JP4174031B2 (en) Turbomachine surging limit or blade damage warning
RU2789169C1 (en) Method for detecting surging and rotating stall of a compressor
RU2354851C1 (en) Method of controlling compressor operating conditions and device to this end
RU2638896C1 (en) Method for diagnosing surging of gas turbine engine compressor and device for its implementation
Christensen et al. Development and demonstration of a stability management system for gas turbine engines
RU2255247C1 (en) Method to protect compressor at unsteady operation of gas- turbine engine
EP0777828B1 (en) Compressor stall avoidance
JPH0816479B2 (en) Surge prevention device for compressor
JPH01394A (en) Compressor surging prevention device
Tahara et al. Early stall warning technique for axial flow compressors
JP4705732B2 (en) Surge detector for aircraft gas turbine engine
RU2351807C2 (en) Method of protecting gas turbine engine against surge
RU2295654C1 (en) Method of and device for protection of gas-turbine engine (versions)
DE102018108831A1 (en) Method for determining an operating state of a compressor
RU2324161C2 (en) Device for diagnostics of self-vibrations of turbo machine engine disk
Lawless et al. Active control of rotating stall in a low-speed centrifugal compressor
RU2453733C2 (en) Compressor antisurge protection
RU2680770C1 (en) Incompressible objects into the turbo compressor flow part detection method and system for its implementation