Автономный блок защиты двигателя газотурбинной установки и способ его работы

Изобретение относится к области защиты газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в локальных системах управления газотурбинными силовыми установками различного назначения. Автономный блок защиты двигателя (БЗД) газотурбинной установки состоит из как минимум двух блоков каналов измерения температуры и как минимум четырех блоков каналов измерения частоты вращения силовой турбины, блока обработки и управления, дополнительно снабженного автономными часами, блока преобразователей питания, дополнительно снабженного фильтрами помех, блока исполнительных реле, блока интерфейсов ввода-вывода информации и блока контроля и индикации, выполненного с обеспечением возможности ручной проверки работоспособности БЗД.

Также представлен способ работы автономного блока защиты двигателя газотурбинной установки. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области защиты газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в локальных системах управления газотурбинными силовыми установками различного назначения.

Предшествующий уровень техники

Известен патент РФ на изобретение № 2444717, МПК G01M 15/14 (2006.01), «СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ».

Сущность изобретения заключается в том, что дополнительно до начала запуска ГТУ фиксируют температуру газов в камере сгорания (КС) двигателя, в процессе запуска ГТУ фиксируют момент начала подачи топлива к коллекторам КС по срабатыванию концевого выключателя «Клапан останова (КО) открыт», по истечении с момента открытия КО наперед заданного времени, определяемого расчетно-экспериментальным путем, измеренную температуру газов сравнивают с измеренной до начала запуска ГТУ, если разница не превышает наперед заданное значение, определяемое расчетно-экспериментальным путем, формируют сигнал «Прекращение запуска по нерозжигу КС» и выполняют аварийный останов (АО) ГТУ. Технический результат изобретения - повышение качества контроля технического состояния ГТУ и, как следствие, повышение надежности работы ГТУ, ГПА и ГТЭС.

Недостатком предложенного решения является то, что запуск работы контролирующего органа производит оператор, что включает в работу систему управления человеческий фактор, который иногда пагубно влияет на работу автоматических систем (кадровое обеспечение и текучесть кадров, сопротивление нововведениям, вопросы взаимодействия, организационная политика).

Наиболее близким к заявляемому изобретению является патент РФ на изобретение № 2493393, МПК F02C 9/46 (2006.01), «СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГАЗОТУРБИННОЙ СУДОВОЙ УСТАНОВКИ».

Сущность изобретения заключается в том, что дополнительно с помощью автономного блока защиты двигателя (БЗД) ГТУ измеряют частоту вращения силовой турбины ГТУ, обеспечивающей привод судового винта, сравнивают измеренное значение с наперед заданным предельным, определяемым расчетно-экспериментальным путем для каждого типа ГТУ и уточняемым в процессе приемо-сдаточных испытаний ГТУ, при увеличении частоты вращения силовой турбины выше наперед заданного предельного на наперед заданное время с помощью БЗД и стоп-крана прекращают подачу топлива в КС ГТУ, формируют сигнал «Защита по раскрутке силовой турбины» и передают его в систему управления судном. Технический результат изобретения - повышение надежности работы ГТУ и безопасности судна.

Недостатком данного способа является то, что выводы об аварийной ситуации делают исходя из одного показателя, что не всегда верно, а также то, что блок защиты двигателя влияет только на подачу топлива, что не всегда эффективно.

Раскрытие изобретения

Технической задачей данного изобретения является

• Повышение надежности работы газотурбинной установки (ГТУ).

• Обеспечение контроля аварийной ситуации при отказе основной системы управления ГТУ (автономность БЗД).

• Обеспечение контроля аварийной ситуации по двум параметрам, а именно, частоте вращения и температуре в камере сгорания силовой турбины.

Техническая задача решена за счет того, что автономный блок защиты газотурбинной установки состоит из как минимум двух блоков каналов измерения температуры и как минимум четырех блоков каналов измерения частоты вращения силовой турбины, блока обработки и управления, дополнительно снабженный автономными часами, блока преобразователей питания, дополнительно снабженный фильтрами помех, блока исполнительных реле, блока интерфейсов ввода-вывода информации и блока контроля и индикации, выполненного с обеспечением возможности ручной проверки работоспособности БЗД. Способ работы автономного блока защиты газотурбинной установки заключается в том, что предварительно стабилизируют питание внутренне либо внешнее. Затем проводят самодиагностику блоков каналов измерения температуры и частоты. Далее отправляют обработанную информацию о самодиагностике в блок контроля и индикации, для индикации неисправности. Затем информацию о самодиагностике передают в блок интерфейсов ввода-вывода информации и далее в блок внешней системы управления. После этого блоки каналов измерения частоты вращения силовой турбины и одновременно блоки каналов измерения температуры в камере сгорания силовой турбины получают аналоговый сигнал с внешних датчиков измерения частоты и температуры ГТУ и после преобразования аналоговых сигналов в цифровые, передают информацию в блок обработки и управления. Далее анализируют полученные данные, сравнивая их с заранее установленными пороговыми значениями и при превышении пороговых значений, передают сигнал в блок исполнительных реле, где формируют аварийный сигнал и передают его в блок механизма останова двигателя блока внешней системы управления. Информацию о срабатывании сохраняют в блоке обработки и управления и при необходимости передают в блок внешней системы управления. БЗД синхронизируют с внешней системой посредством автономных часов блока обработки и управления, для фиксации точного времени срабатывания.

Описание изобретения

На фиг. 1 представлена функциональная схема блока защиты двигателя газотурбинной установки.

Назначение блока защиты двигателя газотурбинной установки (БЗД) защита ГТУ от аварийной работы при превышении предельно допустимых параметров посредством выдачи сигнала на блок внешней системы управления для останова двигателя.

БЗД 1 включает в себя электронную аппаратуру и специальное программное обеспечение в виде информации, записанной на постоянном запоминающем устройстве блока обработки и управления 5.

БЗД 1 выполнен в виде набора функциональных блоков: как минимум двух блоков каналов измерения температуры 7 и 8 и как минимум четырех блоков каналов измерения частоты 9, 10, 11, и 12 вращения силовой турбины, блока обработки и управления 5, дополнительно снабженный автономными часами (на фиг. не показано), блока преобразователей питания 4, дополнительно снабженный фильтрами помех (на фиг. не показано), блока исполнительных реле 6, блока интерфейсов ввода-вывода информации 2 и блока контроля и индикации 3, выполненного с обеспечением возможности ручной проверки работоспособности. При этом функциональные блоки содержат: светодиоды, микросхемы ввода-вывода, микросхемы интерфейса Ethernet, микросхемы интерфейса RS-485, реле электромагнитные, микроконтроллер с ядром Cortex M7, микросхемы стабилизатора напряжения питания, микросхемы преобразователя питания, микросхемы гальванической развязки, микросхемы оптрон, микросхемы аналого-цифрового преобразователя, микросхемы компаратор.

Электропитание БЗД 1 осуществляют постоянным током напряжением от 21 до 29 В. Мощность, потребляемая БЗД 1: от источника постоянного тока напряжением от 21 до 29 В не более 10Вт, без учёта мощности, потребляемой исполнительными механизмами.

Конструктивно все элементы блока защиты двигателя 1 (БЗД) размещены на одной четырёхслойной печатной плате.

1. Блок канала измерения температуры 7 и 8

Аналоговые блоки каналов измерения температуры 7 и 8 построены на дельта-сигма АЦП и измеряют падение напряжения на шунте – прецизионном резисторе сопротивлением 49,9 Ом с допусками 0,1%. Шунт включается последовательно в цепь с измеряемым током.

Применённые АЦП типа LTC2472 представляют собой малопотребляющие 16-разрядные аналого-цифровые преобразователи со встроенным прецизионным источником опорного напряжения и выбираемой скоростью измерения 208 изм/с или 833 изм/с. Они используют один источник питания 3,3 В и обмениваются данными через SPI (цифровой интерфейс). Каждый блок каналов измерения 7 и 8 имеет гальваническую развязку благодаря применению изоляторов интерфейса типа ADUM5401ARWZ с встроенным DC/DC преобразователем. На входе каждого блока канала измерения температуры 7 и 8, в зависимости от исполнения БЗД 1, могут использоваться искробезопасные барьеры. Барьеры обеспечивают искробезопасность электрических цепей блока, при установке во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок.

2. Блок канала измерения частоты 9, 10, 11, и 12

Аналоговые блоки каналов измерения частоты 9, 10, 11, и 12 построены на высокоскоростном компараторе, преобразующем входные частотные импульсы в импульсы необходимой амплитуды.

Каждый блок канала измерения частоты 9, 10, 11, и 12 для питания имеет гальванически развязанный DC/DC преобразователь. Выходной сигнал компаратора также гальванически развязан с основной схемой через оптрон.

3. Блок обработки и управления 5

Блок обработки и управления 5 построен на основе микросхемы микроконтроллера STM32H743ZI. Микроконтроллер через микросхемы D17, D18 поочерёдно опрашивает АЦП аналоговых измерительных каналов. Данные АЦП преобразуются в микроконтроллере в значения физической величины тока. Также микроконтроллер обрабатывает сигналы четырех каналов частоты, поступающие на входы таймера через оптроны D24, D26, D34, D36. В случае превышении любым контролируемым параметром предельного значения (уставки) контроллер выдает управляющий сигнал в блок исполнительных реле на реле K4 для коммутации цепи управления напряжением 27 В, а также дискретный информационный сигнал, сигнализирующий о срабатывании блока.

Также в блок обработки и управления 5 входит второй микроконтроллер, построенный на микросхеме STM32H743ZI. Он принимает данные от блока микроконтроллера измерительного по интерфейсу SPI. Он преобразует полученные данные в формат Modbus и передает их в блок интерфейсов ввода/вывода информации 2, построенный на микросхеме D3 (преобразователь интерфейсов RS-485) и далее на выходной разъем XP2. Также микроконтроллер выдаёт команды по шине I2C на регистры в блок контроля и индикации 3. К выходам регистров индикации подключены светодиоды, которые осуществляют визуальную индикацию состояния аналоговых и частотных каналов, готовности и срабатывания блока.

Разъём XP1 и XP5 для программирования микроконтроллера через JTAG интерфейс.

4. Блок интерфейсов ввода/вывода информации 2

Блок интерфейсов ввода/вывода информации 2 с ПК состоит из микросхем D3 и D6 - гальванически развязанного преобразователя интерфейса RS-485 и приемо-передатчика Ethernet, осуществляющего синхронизацию времени c инженерным компьютером.

5. Блок преобразователей питания 4

Блок преобразователей питания 4 состоит из DC/DC преобразователей (D7, D8), стабилизаторов напряжения (D9, D10) и обеспечивает питание блока. DC/DC-преобразователи 5 В, обеспечивают гальваническую изоляцию блока от входных цепей 24 В, а микросхемы стабилизаторов формируют напряжения 3,3В постоянного тока для питания микросхем блока.

Способ работы автономного блока защиты двигателя газотурбинной установки

• Предварительно в блоке преобразователей питания 4 преобразовывают и стабилизируют питание внутренне либо внешнее, затем проводят самодиагностику блоков каналов измерения температуры 7 и 8 и частоты 9, 10, 11, и 12, при которой предварительно проводят самодиагностику в каждом блоке канала измерения 7-12,

• затем отправляют информацию об этом в блок обработки и управления5, а далее отправляют обработанную информацию о самодиагностике в блок контроля и индикации 3, для индикации неисправности какого-либо из блоков каналов измерения 7-12,

• затем информацию передают в блок интерфейсов ввода-вывода информации 2 и далее в блок внешней системы управления 14,

• после чего, в как минимум четыре блока каналов измерения частоты 9, 10, 11 и 12 вращения силовой турбины и дополнительно одновременно, в как минимум два блока канала измерения температуры 7 и 8 в камере сгорания силовой турбины получают аналоговый сигнал с внешних датчиков измерения частоты и температуры ГТУ 13,

• после чего, в этих же блоках 7-12 преобразовывают аналоговые сигналы в цифровые,

• затем передают их в блок обработки и управления 5, где анализируют полученные данные, сравнивая их с заранее установленными пороговыми значениями,

• после этого, при превышении пороговых значений, передают сигнал в блок исполнительных реле 6, где формируют аварийный сигнал и передают его в блок механизма останова двигателя (на фиг не показано) блока внешней системы управления 14,

• при этом сохраняют архив информации о срабатывании в блоке обработки и управления 5 и при необходимости передают эти данные в блок внешней системы управления 14 через блок интерфейсов ввода-вывода информации 2, причем БЗД 1 синхронизируют с внешней системой посредством автономных часов (на фиг не показано) блока обработки и управления 5, для фиксации точного времени срабатывания.

Все вышеизложенное говорит о промышленной применимости блока защиты двигателя газотурбинной установки и решении технической задачи, а именно, повышение надежности работы газотурбинной установки (ГТУ), обеспечение контроля аварийной ситуации при отказе основной системы управления ГТУ (автономность БЗД), обеспечение контроля аварийной ситуации по двум параметрам, частоте вращения и температуре в камере сгорания силовой турбины.

Перечень позиций

1. Блок защиты двигателя (БЗД)

2. Блок интерфейсов ввода/вывода информации

3. Блок контроля и индикации

4. Блок преобразователей питания

5. Блок обработки и управления

6. Блок исполнительных реле

7. Блок канала измерения температуры 1

8. Блок канала измерения температуры 2

9. Блок канала измерения частоты 1

10. Блок канала измерения частоты 2

11. Блок канала измерения частоты 3

12. Блок канала измерения частоты 4

13. Газотурбинная установка (ГТУ)

14. Блок внешней системы управления

1. Автономный блок защиты двигателя (БЗД) газотурбинной установки, состоящий из как минимум двух блоков каналов измерения температуры и как минимум четырех блоков каналов измерения частоты вращения силовой турбины, блока обработки и управления, дополнительно снабженного автономными часами, блока преобразователей питания, дополнительно снабженного фильтрами помех, блока исполнительных реле, блока интерфейсов ввода-вывода информации и блока контроля и индикации, выполненного с обеспечением возможности ручной проверки работоспособности БЗД, при этом каждый из блоков каналов измерения температуры и блоков каналов измерения частоты вращения соединен односторонней исходящей связью с блоком обработки и управления, который, в свою очередь, соединен односторонней входящей связью с блоком преобразователей питания и односторонней исходящей связью с исполнительных реле, при этом блок обработки и управления соединен двусторонними связями с блоком интерфейсов ввода-вывода информации и блоком контроля и индикации.

2. Способ работы автономного блока защиты двигателя газотурбинной установки по п. 1, заключающийся в том, что в блоке защиты газотурбинного двигателя получают, преобразовывают и анализируют информацию, полученную с внешних датчиков измерения частоты вращения силовой турбины, обеспечивающей привод компрессора, и если измеренное значение превышает наперед заданное предельное, определенное расчетно-экспериментальным путем для каждого типа ГТУ и уточняемым в процессе приемо-сдаточных испытаний ГТУ, формируют аварийный сигнал, после чего передают его во внешнюю систему управления ГТУ для останова двигателя, отличающийся тем, что предварительно в блоке преобразователей питания преобразовывают и стабилизируют питание внутреннее либо внешнее, затем проводят самодиагностику блоков каналов измерения температуры и частоты, при которой предварительно проводят самодиагностику в каждом блоке канала измерения, затем отправляют информацию об этом в блок обработки и управления, а далее отправляют обработанную информацию о самодиагностике в блок контроля и индикации, для индикации неисправности какого-либо из блоков каналов измерения, а затем информацию передают в блок интерфейсов ввода-вывода информации и далее в блок внешней системы управления, после чего в как минимум четыре блока каналов измерения частоты вращения силовой турбины и дополнительно одновременно в как минимум два блока канала измерения температуры в камере сгорания силовой турбины получают аналоговый сигнал с внешних датчиков измерения частоты и температуры ГТУ, после чего, в этих же блоках преобразовывают аналоговые сигналы в цифровые, а затем передают их в блок обработки и управления, где анализируют полученные данные, сравнивая их с заранее установленными пороговыми значениями, после этого, при превышении пороговых значений, передают сигнал в блок исполнительных реле, где формируют аварийный сигнал и передают его в блок механизма останова двигателя блока внешней системы управления, при этом сохраняют архив информации о срабатывании в блоке обработки и управления и при необходимости передают эти данные в блок внешней системы управления через блок интерфейсов ввода-вывода информации, причем БЗД синхронизируют с внешней системой посредством автономных часов блока обработки и управления, для фиксации точного времени срабатывания.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для осуществления перевода энергетической газотурбинной установки (ГТУ) в составе парогазовой установки (ПГУ) на предельно допустимую минимальную мощность. Способ уменьшения мощности энергетической газотурбинной установки для перевода ее в режим минимальной электрической нагрузки в составе парогазовой установки заключается в том, что уменьшают подачу топлива и сжатого в компрессоре воздуха в камеру сгорания до допустимого нижнего предела регулировочного диапазона, определяемого предельно допустимым коэффициентом избытка воздуха.

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к системам автоматического управления ГТД. Система автоматического управления газотурбинного двигателя, которая объединяет в едином корпусе электронное устройство (1) управления ГТД, устройство (2) управления электродвигателем и топливный насос (4) с регулируемым электродвигателем (3), также может объединять в упомянутом корпусе датчик (5) давления топлива, датчик (6) температуры топлива, обратный клапан (7), топливный фильтр (8).

Изобретение относится к области энергетики, в частности к средствам генерации энергии, предназначенным для организации системы локального энергоснабжения объектов, удаленных от централизованного энергоснабжения, и может быть использовано в качестве автономного источника электроэнергии, работающего на различных видах топлива.

Изобретение относится к способам управления в полете турбореактивным двигателем с форсажной камерой и регулируемым реактивным соплом. Способ управления турбореактивным двигателем с форсажной камерой и регулируемым реактивным соплом в составе силовой установки летательного аппарата заключается в том, что на стационарных режимах работы, в том числе на режимах «максимальный форсированный» и «крейсерский», и на переходных режимах работы измеряют внешние параметры рабочего процесса турбореактивного двигателя и полета летательного аппарата, по измеренным значениям внешних параметров вычисляют недоступные для измерения внутренние параметры рабочего процесса турбореактивного двигателя и определяют в качестве эксплуатационных характеристик для конкретного режима работы турбореактивного двигателя реальные значения тяги и величины запаса газодинамической устойчивости вентилятора, сравнивают значения полученных эксплуатационных характеристик с предварительно определенными эталонными значениями тяги и величины запаса газодинамической устойчивости для конкретного режима работы, по результатам сравнения эксплуатационных характеристик определяют штатные величины воздействия регулирующих факторов, в качестве которых используют расход топлива в основной камере сгорания, расход топлива в форсажной камере, угол установки направляющего аппарата, площадь критического сечения реактивного сопла, и в зависимости от них формируют управляющий сигнал с учетом приоритетности регулирующих факторов, определяемой для каждого стационарного и переходного режима работы по результатам предварительно проведенных испытаний турбореактивного двигателя, и с учетом корректирующих поправок, величина которых зависит от изменения внешних условий полета летательного аппарата.

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, в частности к способам управления реверсивным устройством (РУ) газотурбинного двигателя (ГТД) при торможении самолета в условиях посадки и прерванного взлета. Способ заключается в том, что определяют приземление самолета по наличию сигналов обжатия опор шасси, после приземления переводят рычаг управления двигателем (РУД) на площадку «Минимальной обратной тяги», формируют управляющее воздействие на перевод реверсивного устройства в положение «Обратная тяга», диагностируют положение подвижных элементов РУ с помощью по меньшей мере одного датчика положения, формируют информационный сигнал в электронный регулятор и в кабину экипажа «Реверсивное устройство включено» после перевода подвижных элементов РУ в положение «Обратная тяга», переводят РУД в положение «Максимальная обратная тяга» и автоматически устанавливают режим работы двигателя, соответствующий положению РУД; переводят РУД на площадку «Малый газ» после снижения скорости самолета, формируют управляющее воздействие на перевод РУ в положение «Прямая тяга», переводят РУД в положение для выполнения руления самолета.

Группа изобретений относится к области авиационного двигателестроения и может быть использована в электронно-гидромеханических системах автоматического управления (САУ) многорежимными газотурбинными двигателями (ГТД) и регулирования подачей топлива на всех режимах работы ГТД. Техническим результатом настоящей группы изобретений является снижение подогрева топлива в топливном тракте и снижение отборов мощности от ротора ГТД путем поддержания минимального необходимого давления топлива за насосом с регулируемой производительностью.

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электрогидромеханических системах автоматического управления газотурбинными двигателями. Техническим результатом настоящего изобретения является разработка способа управления положением направляющих аппаратов компрессора газотурбинного двигателя, обеспечивающего асимптотическую устойчивость и астатическую точность позиционирования направляющих аппаратов компрессора с учетом нелинейности характеристики электрогидромеханических агрегатов.

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в системах автоматического управления газотурбинными двигателями, применяемыми в составе газотурбинных установок для привода электрогенераторов. Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности регулирования частоты вращения ротора турбогенератора в переходных режимах.

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в системах автоматического управления газотурбинными двигателями, в том числе применяемыми в составе газотурбинных установок. Техническим результатом настоящего изобретения является расширение диапазона возмущений, которые могут парироваться без срабатывания защиты по максимально допустимой частоте вращения, и повышение безотказной работы системы.

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, а именно к авиационным турбореактивным двигателям, которые могут быть использованы в летательных аппаратах и других системах, требующих одновременных сочетаний тяга-мощность. Двухконтурный двухвальный турбореактивный двигатель содержит вентилятор с входным направляющим аппаратом, направляющий аппарат наружного контура, компрессор высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления, турбину низкого давления, реактивное сопло.

Изобретение относится к авиадвигателестроению, а именно к управлению двухвальным газотурбинным двигателем с регулируемыми направляющими аппаратами компрессоров высокого и низкого давления. Техническая проблема изобретения заключается в повышении надежности системы управления. Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение управляемости двигателя при отсутствии информации о положении направляющих аппаратов компрессоров. Указанный технический результат достигается в способе управления двухвальным газотурбинным двигателем с регулируемыми направляющими аппаратами компрессоров высокого и низкого давления, с установленным номинальным соотношением приведенных частот вращения роторов для каждого режима работы двигателя, включающий управление частотами вращения роторов низкого и высокого давления путем изменения расхода топлива в основную камеру сгорания, регулирование положения направляющих аппаратов, воздействуя на скорость их перемещения, при этом заранее выбирают порог по приведенной частоте вращения одного из роторов, в диапазоне режимов работы двигателя ниже выбранного порога поддерживают частоту вращения ротора низкого давления воздействием на увеличение расхода топлива в основную камеру сгорания, при этом частоту вращения ротора высокого давления поддерживают исходя из номинального установленного соотношения приведенных частот вращения роторов воздействием на скорость перемещения направляющих аппаратов компрессора высокого давления, а в диапазоне режимов работы двигателя выше или равному выбранному порогу поддерживают частоту вращения ротора высокого давления воздействием на уменьшение расхода топлива в основную камеру сгорания, а частоту вращения ротора низкого давления поддерживают исходя из номинального установленного соотношения приведенных частот вращения роторов воздействием на скорость перемещения направляющих аппаратов компрессора низкого давления. 2 ил.
Наверх