Система автоматического управления энергетической установкой

 

Использование: изобретение относится к автоматике и может быть использовано для автоматического управления энергетической установкой, преимущественно газотурбинной. Задача: повышение надежности работы установки, а также обеспечение автоматического управления установкой как на статических, так и на переходных режимах работы. Сущность изобретения: система автоматического управления энергетической установкой, содержащая газотурбинный двигатель, силовую турбину, турбину газодожимного компрессора, газодожимной компрессор и синхронный генератор с встроенной системой автоматического управления. В систему введены нелинейные регуляторы - первый, второй и третий, а также исполнительный механизм, причем вход второго нелинейного регулятора соединен с первым выходом газотурбинного двигателя, а выход с третьим входом первого нелинейного регулятора, первый вход последнего соединен с устройством, задающим значение частоты вращения ротора силовой турбины, а второй вход первого нелинейного регулятора связан со вторым выходом силовой турбины, выход первого нелинейного регулятора соединен с первым входом третьего нелинейного регулятора, второй вход третьего нелинейного регулятора соединен со вторым выходом газотурбинного двигателя, выход третьего нелинейного регулятора соединен с первым входом исполнительного механизма, второй вход исполнительного механизма соединен с выходом газодожимного компрессора, выход исполнительного механизма соединен со входом газотурбинного двигателя. 2 ил.

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для автоматического управления энергетической установкой, преимущественно газотурбинной.

Известен способ автоматического управления турбовинтовой двигательной установкой [авт. св. СССР 1759070, кл. F 02 C 9/28, 15.07.1994, бюл. 13] путем измерения частоты вращения и ускорения ротора турбокомпрессора, сравнения измеренной частоты вращения ротора турбокомпрессора с заданной и управления расходом топлива на установившихся режимах пропорционально величине отклонения частоты вращения ротора турбокомпрессора от заданной величины, сравнения измеренного ускорения ротора турбокомпрессора с заданным и управления расходом топлива на переходных режимах пропорционально величине отклонения ускорения ротора турбокомпрессора от заданной величины, измерения частоты вращения винта и управления углом установки лопасти винта пропорционально измеренной частоте вращения винта, причем дополнительно измеряют скорость изменения тяги винта и дополнительно осуществляют пропорционально величине отклонения текущего значения скорости изменения тяги от заданной управление углом установки лопасти винта.

Недостатком данного способа является сложность реализации, что приводит к большим материальным затратам при реализации.

Известен также способ регулирования энергетической установки [авт. св. СССР 1758260, кл. F 02 C 9/28, 30.08.92, бюл. 32], включающий формирование в каждом из ряда каналов регулирования управляющих сигналов, пропорциональных отклонению текущей величины регулируемого параметра от заданной, выделение в качестве ведущего канал с наименьшей величиной управляющего сигнала и коррекцию заданной величины регулируемого параметра в каждом из каналов пропорционально рассогласованию между управляющим сигналом и управляющим сигналом ведущего канала с ограничением скорости коррекции заданной величины, причем ограничение скорости коррекции снимают при снижении управляющего сигнала ведущего канала.

Недостатком данного способа является неприемлемая точность поддержания характеристик переходных процессов в течение выработки ресурса двигателя.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является энергетическая установка ["Математическое моделирование режимов работы газотурбинного привода ГТП-10/95 с газодожимным турбокомпрессором для подачи газа в систему топливопитания" (Техническая справка 953 ДС-022, Уфа: ГНПП " Мотор ", 1998 - 55 с.)], содержащая газотурбинный двигатель, силовую турбину, турбину газодожимного компрессора, газодожимной компрессор и синхронный генератор со встроенной системой автоматического управления.

Недостатком данной установки является наличие только ручного управления, а также управление двумя выходными координатами при помощи одной входной, что может привести к выходу из строя системы на переходных режимах работы.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности работы установки, а также обеспечение автоматического управления установкой как на статических, так и на переходных режимах работы.

Поставленная задача решается за счет того, что в систему автоматического управления энергетической установкой, содержащую газотурбинный двигатель, силовую турбину, турбину газодожимного компрессора, газодожимной компрессор и синхронный генератор с встроенной системой автоматического управления, введены нелинейные регуляторы первый, второй и третий, а также исполнительный механизм, причем вход второго нелинейного регулятора соединен с первым выходом газотурбинного двигателя, а выход с третьим входом первого нелинейного регулятора, первый вход последнего соединен с устройством, задающим значение частоты вращения ротора силовой турбины, а второй вход первого нелинейного регулятора связан со вторым выходом силовой турбины, выход первого нелинейного регулятора соединен с первым входом третьего нелинейного регулятора, второй вход третьего нелинейного регулятора соединен со вторым выходом газотурбинного двигателя, выход третьего нелинейного регулятора соединен с первым входом исполнительного механизма, второй вход исполнительного механизма соединен с выходом газодожимного компрессора, выход исполнительного механизма соединен со входом газотурбинного двигателя.

Существо устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена блок-схема системы автоматического управления энергетической установкой.

Первый нелинейный регулятор 1, первый вход которого соединен с устройством, задающим режим работы системы, например задатчиком частоты вращения (на фиг.1 не показано), второй вход соединен со вторым выходом силовой турбины 2, а третий с выходом второго нелинейного регулятора 3, выход первого нелинейного регулятора 1 соединен с первым входом третьего нелинейного регулятора 4, второй вход которого соединен со вторым выходом газотурбинного двигателя 5, а выход третьего нелинейного регулятора 4 соединен с первым входом исполнительного механизма 6, второй вход которого соединен с выходом газодожимного компрессора 7, а выход со входом газотурбинного двигателя 5, первый выход которого соединен со входом второго нелинейного регулятора 3, а также со входом силовой турбины 2, первый выход которой соединен со входом турбины газодожимного компрессора 8 и выходом синхронного генератора 9, выход турбины газодожимного компрессора 8 соединен со входом газодожимного компрессора 7.

Автоматическое управление системой на различных режимах работы обеспечивает второй нелинейный регулятор, осуществляющий зависимость, приведенную на графике (фиг.2). Надежная работа установки обеспечивается нелинейными регуляторами первым, вторым и третьим управляющими исполнительным механизмом 6, который регулирует подачу топлива в газотурбинный двигатель 5, для обеспечения неизменности частоты вращения силовой турбины, при изменении количества отбираемой энергии.

Работа устройства осуществляется следующим образом. При изменении количества отбираемой энергии изменяется частота вращения ротора высокого давления газотурбинного двигателя 5 и, как следствие, изменяется частота вращения ротора силовой турбины 2, что приводит к возникновению сигнала рассогласования на выходе первого нелинейного регулятора 1, сравнивающим частоту вращения ротора силовой турбины 2 с заданной, в то же время изменяется автоматически на втором нелинейном регуляторе 3 заданная частота вращения ротора высокого давления газотурбинного двигателя 5 и складывается с полученным сигналом рассогласования на первом нелинейном регуляторе 1; данный сигнал сравнивается с измеренной частотой вращения ротора высокого давления газотурбинного двигателя 5 в третьем нелинейном регуляторе 4, на выходе последнего получаем сигнал управления исполнительным механизмом 6, который либо увеличит подачу топлива в газотурбинный двигатель 5, либо уменьшит, в зависимости от необходимости, и будет изменять подачу топлива до тех пор, пока сигнал рассогласования на выходе третьего нелинейного регулятора 4 не будет отсутствовать, то есть равняться нулю.

Цепочка турбина газодожимного компрессора 8 - газодожимной компрессор 7 - исполнительный механизм 6 предназначена для подачи в камеру сгорания ГТД природного газа в качестве топлива от городской магистрали, давление которой не превышает 0,3 МПа, в то время как давление в камере сгорания ГТД доходит до 1 МПа.

Физический смысл функционирования цепочки следующий.

Турбина газодожимного компрессора 8 раскручивается горячими газами, обираемыми от тракта силовой турбины 2, и служит приводом газодожимного компрессора 7, предназначение которого обеспечивать избыточное давление природного газа перед исполнительным механизмом 6, который, являясь по физической природе управляемым гидравлическим дросселем, осуществляет дозирование природного газа в камеру сгорания ГТД 5 по сигналу электронного регулятора 4.

Таким образом, предложена система автоматического управления энергетической установкой, позволяющая достичь наибольшей надежности и обеспечить автоматическую работу энергетической установки на всех режимах ее функционирования.

Формула изобретения

Система автоматического управления энергетической установкой, содержащая газотурбинный двигатель, силовую турбину, турбину газодожимного компрессора, газодожимной компрессор и синхронный генератор с встроенной системой автоматического управления, отличающаяся тем, что введены нелинейные регуляторы - первый, второй и третий, а также исполнительный механизм, причем вход второго нелинейного регулятора соединен с первым выходом газотурбинного двигателя, а выход с третьим входом первого нелинейного регулятора, первый вход последнего соединен с устройством, задающим значение частоты вращения ротора силовой турбины, а второй вход первого нелинейного регулятора связан со вторым выходом силовой турбины, выход первого нелинейного регулятора соединен с первым входом третьего нелинейного регулятора, второй вход третьего нелинейного регулятора соединен со вторым выходом газотурбинного двигателя, выход третьего нелинейного регулятора соединен с первым входом исполнительного механизма, второй вход исполнительного механизма соединен с выходом газодожимного компрессора, выход исполнительного механизма соединен со входом газотурбинного двигателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2