Способ управления газотурбинным двигателем

Авторы патента:

F02C9/00 - Управление газотурбинными установками; управление топливоподачей в воздушно-реактивных двигательных установках (управление воздухозаборниками F02C 7/057; управление турбинами F01D; управление компрессорами F04D 27/00)

F01D1/00 - Машины и двигатели необъемного вытеснения, например паровые турбины (гидравлические машины и двигатели F03; насосы и компрессоры необъемного вытеснения F04D)

Владельцы патента RU 2778418:

Публичное акционерное общество "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") (RU)

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в системах автоматического управления газотурбинными двигателями, применяемыми в составе газотурбинных установок для привода электрогенераторов. Техническая проблема заявленного изобретения заключается в повышении надежности. Техническим результатом настоящего изобретения является защита от раскрутки ротора силовой турбины до недопустимых значений и разрушение ГТД при изменении загрузки генератора. Указанный технический результат достигается в способе управления газотурбинным двигателем, снабженным валом отбора мощности, с генератором, заключающемся в том, что формируют заданную частоту вращения вала отбора мощности, измеряют частоту вращения вала отбора мощности, поддерживают заданное значение частоты вращения вала отбора мощности путем изменения расхода топлива, подаваемого в газотурбинный двигатель, измеряют текущую мощность, вырабатываемую генератором, и формируют сигнал скорости изменения мощности, при этом дополнительно определяют фильтрованное значение скорости изменения мощности и изменяют расход топлива, подаваемого в газотурбинный двигатель, пропорционально фильтрованному значению скорости изменения мощности. 2 ил.

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ управления турбогенератором, заключающийся в том, что формируют заданную частоту вращения ротора турбогенератора, измеряют частоту вращения ротора турбогенератора, поддерживают заданное значение частоты вращения ротора турбогенератора путем изменения механической мощности турбины и измеряют текущую электрическую мощность генератора, отличающийся тем, что дополнительно в зависимости от быстродействия регулятора частоты вращения ротора турбогенератора выбирают порог по скорости изменения электрической мощности генератора и интервал времени, необходимый для парирования изменения электрической мощности генератора, формируют сигнал скорости изменения электрической мощности генератора и при превышении данным сигналом по абсолютной величине выбранного порога повышают быстродействие регулятора частоты вращения ротора турбогенератора в течение выбранного интервала времени (патент РФ 2729584, кл. F02C 9/00, 2020 г.).

В результате анализа данного способа необходимо отметить, что для энергоустановок, в которых используется газотурбинный двигатель (ГТД) со свободной силовой турбиной (СТ), проблемой является поддержание частоты вращения СТ в заданных безопасных пределах при резком изменении нагрузки, что обусловлено ограниченным быстродействия регулятора частоты вращения. Например, для электростанций с газотурбинным приводом при аварийном отключении нагрузки генератора происходит раскрутка ротора СТ с ускорением (20...40)%/с до недопустимо высоких значений, что приводит к аварийному останову энергоустановки. Для защиты от раскрутки ротора необходимо обеспечить темп снижения расхода топлива до (200…300)%/с. Попытки повысить быстродействие регулятора до необходимого значения приводят к потере устойчивости регулятора и возбуждению колебаний.

Известный способ не позволяет обеспечить необходимый темп снижения расхода топлива для парирования раскрутки ротора СТ без потери устойчивости регулятора.

Техническая проблема заявленного изобретения заключается в повышении надежности.

Техническим результатом настоящего изобретения является защита от раскрутки ротора силовой турбины до недопустимых значений и разрушение ГТД при изменении загрузки двигателя.

Указанный технический результат достигается за счет того в способе управления газотурбинным двигателем, снабженным валом отбора мощности, с генератором, заключающийся в том, что формируют заданную частоту вращения вала отбора мощности, измеряют частоту вращения вала отбора мощности, поддерживают заданное значение частоты вращения вала отбора мощности путем изменения расхода топлива, подаваемого в газотурбинный двигатель, измеряют текущую мощность вырабатываемую генератором и формируют сигнал скорости изменения мощности, при этом дополнительно определяют фильтрованное значение скорости изменения мощности и изменяют расход топлива, подаваемого в газотурбинный двигатель, пропорционально фильтрованному значению скорости изменения мощности.

В качестве сигнала скорости изменения мощности используют сигнал скорости изменения тока генератора.

Следует отметить, что указанный способ может быть применен при различных конструктивных схемах ГТД, например, одновальных ГТД или ГТД со свободной силовой турбиной с подключенным в качестве нагрузки генератором.

Далее рассмотрим применение способа для ГТД со свободной силовой турбиной, примем, что в качестве нагрузки используется электрогенератор.

Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых представлены:

На фиг. 1 - структурная схема системы управления, реализующая заявляемый способ регулирования ГТД,

На фиг. 2 - графики переходных процессов по выбранным координатам в момент изменения мощности, отбираемой от генератора.

Система управления ГТД содержит задатчик 1 частоты вращения вала отбора мощности ротора генератора (свободной силовой турбины, СТ), связанный с первым входом сумматора 2, выход сумматора 2 связан с регулятором 3 частоты вращения СТ и сообщенного с ней вала отбора мощности. Выход регулятора 3 частоты вращения СТ подключен к первому входу суммирующего усилителя 4, к выходу которого подключен дозатор 5 топлива, который подает топливо в камеру сгорания (на фиг. не показана) ГТД 6. При изменении расхода топлива, подаваемого в камеру сгорания ГТД меняется механическая мощность СТ и частота вращения вала отбора мощности. Частота вращения вала отбора мощности измеряется датчиком 7, выход которого подключен к второму (инвертирующему) входу сумматора 2.

СТ ГТД 6 через вал отбора мощности сообщен с генератором 8 с имеющими возможность подключения к генератору потребителями 9.

Система так же содержит измеритель 10 электрической мощности генератора 8. Выход измерителя 10 электрической мощности подключен к входу блока дифференцирования 11, который подключен к входу фильтра низкой частоты 12. Выход фильтра низкой частоты 12 подключен к второму входу суммирующего усилителя 4.

Заявленная система может быть скомпонована из известных блоков и элементов.

Сумматор, суммирующий усилитель, блок дифференцирования являются стандартными.

В качестве задатчика частоты вращения СТ может быть использован стандартный задатчик постоянного значения.

В качестве датчика частоты вращения СТ может быть использован стандартный индуктивный датчик частоты вращения.

В качестве регулятора частоты вращения ротора может быть использован стандартный ПИД-регулятор.

При изменении напряжения генератора в ограниченных пределах вместо измерителя электрической мощности может быть использован измеритель тока.

Коэффициент усиления второго входа суммирующего усилителя 4 выбирается исходя из коэффициента передачи двигателя от расхода топлива к мощности на валу СТ.

В качестве фильтра может быть использован стандартный фильтр первого порядка. Фильтр низких частот определяет интервал времени после действия возмущения, в течение которого необходим дополнительный расход топлива. Например, при разгрузке ротора свободной турбины окончанием этого интервала является момент времени, когда ускорение ротора свободной турбины снижается до нуля. Постоянная времени фильтра выбирается таким образом, чтобы в течение этого интервала времени дополнительный расход топлива плавно снижался от максимального значения до нуля.

Система работает следующим образом:

Изменение мощности, отбираемой от генератора 8 потребителями 9, вызывает изменение частоты вращения СТ ГТД 6 и сообщенного с ней вала отбора мощности. Изменения частоты вращения вала отбора мощности измеряются датчиком 7 и далее передаются на второй (инвертирующий) вход сумматора 2, на первый вход которого поступает сигнал заданной частоты вращения СТ ГТД 6 и сообщенного с ней вала отбора мощности с задатчика 1. Сумматор 2 формирует отклонение фактической частоты вала отбора мощности от заданного - ошибку регулирования. Сигнал ошибки регулирования поступает на вход регулятора 3. Регулятор 3 формирует необходимый для устранения ошибки заданный расход топлива.

Заданный расход топлива, формируемый регулятором 3, корректируется (суммируется) на суммирующем усилителе 4 с расходом, формируемым цепью блоков 10-11-12 в зависимости от скорости изменения электрической мощности генератора 8.

Сформированный на суммирующем усилителе 4 расход топлива через дозатор топлива 5 поступает в камеру сгорания ГТД 6 и вызывает изменение механической мощности СТ а также, соответственно, изменение частоты вращения вала отбора мощности.

На квази-установившихся режимах работы ГТД 6 с подключенными к генератору 8 потребителями 9 сигнал измерителя 10 электрической мощности постоянный или медленно меняется в зависимости от изменения режима работы потребителей. Блок 11 дифференцирования формирует сигнал, равный скорости изменения мощности, и на выходе блока 11 сигнал близок к нулю, и цепь блоков 10-11-12 не оказывает влияния на расход топлива, сформированный регулятором 3.

При резком изменении нагрузки, например, при разгрузке генератора блок дифференцирования 11 формирует кратковременный отрицательный сигнал скорости изменения мощности генератора. Этот сигнал фильтруется фильтром низких частот 12 и результат, являющийся фильтрованным значением скорости изменения электрической мощности генератора, поступает на второй вход суммирующего усилителя 4. В результате совместной работы цепи блоков 10-11-12 и регулятора частоты вращения 3 расход топлива снижается ниже значения, необходимого для поддержания частоты вращения СТ и вала отбора мощности при пониженной нагрузке на генератор, и раскрутка ротора СТ прекращается. После прекращения раскрутки ротора СТ точное значение расхода топлива формируется регулятором 3 частоты вращения.

Работа системы управления расходом топлива в момент отключения потребителей от генератора (t₀) иллюстрируется графиками, представленными на фиг. 2, где последовательно показаны сигналы, формируемые блоками:

U10 - мощность, отбираемая от генератора, формируемая измерителем 10,

U11 - сигнал скорости изменения мощности генератора, формируемый блоком дифференцирования 10,

U12 - фильтрованное значение сигнала скорости изменения мощности генератора, формируемый фильтром низкой частоты 12,

U4 - сигнал заданного расхода топлива, формируемый на суммирующем усилителе 4,

U7 - сигнал изменения частоты вращения ротора СТ и сообщенного с ней вала отбора мощности, формируемый датчиком 7; пунктиром показ сигнал, равный заданной частоте вращения СТ.

Предлагаемый способ управления позволяет сократить отклонение частоты вращения от заданного значения при резком изменении мощности, отбираемой от генератора, и не допустить превышение частотой вращения порога аварийного останова и разрушение ГТД.

Способ управления газотурбинным двигателем, снабженным валом отбора мощности с генератором, заключающийся в том, что формируют заданную частоту вращения вала отбора мощности, измеряют частоту вращения вала отбора мощности, поддерживают заданное значение частоты вращения вала отбора мощности путем изменения расхода топлива, подаваемого в газотурбинный двигатель, измеряют текущую мощность, вырабатываемую генератором, и формируют сигнал скорости изменения мощности, отличающийся тем, что дополнительно определяют фильтрованное значение скорости изменения мощности и изменяют расход топлива, подаваемого в газотурбинный двигатель, пропорционально фильтрованному значению скорости изменения мощности.

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.

Автономный блок защиты двигателя газотурбинной установки и способ его работы // 2776229

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.

Способ уменьшения мощности газотурбинной установки ниже её допустимого нижнего предела регулировочного диапазона // 2767677

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.

Система автоматического управления газотурбинного двигателя // 2751826

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).

Модуль силовой универсальный // 2740726

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.

Способ управления турбореактивным двигателем // 2736403

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.

Способ управления реверсивным устройством газотурбинного двигателя при посадке и прерванном взлете самолета // 2730731

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.

Способ управления подачей топлива в газотурбинный двигатель и система для его осуществления // 2730581

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.

Способ управления газотурбинным двигателем // 2730568

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.

Способ управления турбогенератором // 2729584

Инерционный роторный двигатель // 2776606

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к инерционным роторным двигателям. Двигатель включает ротор с соплами для реактивного выхода рабочего тела (РТ) и выходной вал 4, соединенные между собой.