ПРИМЕНЕНИЕ СТРУЙНО-АКУСТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ В ПРОТИВОПОМПАЖНОЙ СИСТЕМЕ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

APPLICATION OF JET-ACOUSTIC TEMPERATURE SENSORS IN ANTI-SURROUND SYSTEM OF A GAS-TURBINE ENGINE

В нефтяной промышленности газотурбинные двигатели (ГТД) используются в качестве привода газоперекачивающих агрегатов и наземных энергетических установок [1]. Одним из аварийных режимов работы ГТД является помпаж, он возникает в результате потери устойчивости течения воздуха в компрессоре при работе ГТД и сопровождается резкими колебаниями напора и расхода воздуха, большими динамическими нагрузками, выбросом горячих газов на вход двигателя, увеличением температуры газового потока перед турбиной и возникновением вибрации лопаток и тряской [2]. Такой режим работы приводит к уменьшению ресурса ГТД, а при длительном воздействии к разрушению всей силовой установки.

Причинами возникновения помпажа ГТД могут быть:

- разрушение и отрыв лопаток рабочего колеса (например, из-за износа);

- попадание в двигатель постороннего предмета;

- сбои в работе системы управления двигателя или управляемого воздухозаборника [3] и др.

При возникновении помпажа необходимо оперативно принять меры для его устранения, а в случае, когда это невозможно (при повреждении лопаток рабочего колеса) отключить силовую установку и запустить резервный агрегат, чтобы процесс транспортировки газа не прервался, и не произошла авария.

В процессе эксплуатации ГТД измеряется большое количество параметров. Анализ результатов измерений, позволяет автоматической системе управления поддерживать оптимальный режим работы и обеспечивать достаточную надежность агрегата. Но в связи со сложностью и скоростью возникновения такого явления как помпаж, противопомпажные системы и системы диагностики предпомпажного состояния не всегда срабатывают вовремя и выдают управляющий сигнал на исполнительные органы для устранения помпажа.

Помпаж ГТД характеризуется изменениями следующих параметров:

- колебаниями давления, скоростей и расходов газа по тракту двигателя при существенном падении давления за компрессором относительно давления на его входе;

- повышением уровня вибрации ГТД;

- ростом температуры газов на входе и выходе турбины (рисунок 1);

- уменьшением частоты вращения ротора (рисунок 2) [4].



Рисунок 1 – Изменение температуры газового потока вовремя помпажа.

 

 

Рисунок 2 – Изменение частоты вращения ротора турбины ГТД вовремя помпажа.

 

Существует способ [5] обнаружения помпажа по показаниям датчиков давления, обнаруживающих срыв потока по падению давления за компрессором. Также существует способ, в котором берется производная от разности давлений на входе и выходе компрессора. При повышении этого параметра порогового значения вырабатывается сигнал о начале помпажа. Недостатком такого способа является то, что сигнал о наличии помпажа вырабатывается с некоторой задержкой, так как пороговое значение делают достаточно высоким. Уменьшение этого параметра может привести к ложному срабатыванию системы, т.к. при изменении режима работы двигателя, например, при уменьшении газа происходит падение давления после компрессора.

Известен следующий алгоритм [6] обнаружения помпажа:

1)                Проверяется условие:

,                                                      (1)

где - температура газового потока,

          изменение температуры газового потока.

2)                Если выполнено первое условие, то проверяется условие:

) max_доп,                                       (2)

где ) max_доп - максимально допустимое изменение температуры газового потока.

3)                Если выполнено второе условие, то проверятся условие:

 ,                                                      (3)

где n- частота вращения ротора турбины ГТД,

 – изменение частоты вращения ротора турбины ГТД.

4)      Если выполнено третье условие, то формируется сигнал на уменьшение подачи топлива и включения сигнализации о наличии помпажа.

Изложенный выше алгоритм обнаружения помпажа обладает недостатком, обусловленным тем, что в качестве датчика температуры газового потока в газотурбинном двигателе часто используют термопару. Данный вид измерительных приборов обладает высокой инерционностью (порядка 10 с) и ограниченным ресурсом работы. А при высоких температурах, на которых работают современные ГТД, срок службы датчика уменьшается в разы. (Датчик частоты вращения ротора обладает достаточными техническими характеристиками.)

Решить данную проблему позволят быстродействующие измерители температуры (БИТ) газового потока на основе струйно-акустических датчиков (САД). У них отсутствуют указанные недостатки [7], следовательно, применение таких измерительный приборов позволит повысить эффективность работы противопомпажной системы. Т.к. скорость изменения температуры газов может составлять 400 °C /с, и при возникновении помпажа БИТ с быстродействием 0,1 с. позволит своевременно сработать противопомпажной системе и с минимальными последствиями вывести ГТД на нормальный режим работы.

Принцип действия БИТ основан на том, что при помещении струйно-акустического датчика в газовый поток струя газа через входное устройство попадает в струйный генератор (СГ), в нем возникают акустические колебания, частота которых пропорциональна измеряемой температуре газового потока [8].

СГ является одним из главных элементов БИТ, т.к. именно он формирует колебательный акустический сигнал, качество которого напрямую влияет на работу всего измерительного устройства. Для САД температуры газового потока ГТД наиболее подходящим является СГ с двумя резонансными камерами (рисунок 3). Преимуществами такого СГ являются [9]:

- высокая чувствительность;

- малая инерционность (каналы имеют интенсивный проток газа);

- вероятность засорения каналов меньше, чем у струйных генераторов с внешней обратной связью (нет узких, длинных каналов);

- относительно простая конфигурация проточной части (высокая технологичность ее изготовления).

Рисунок 3 – Струйно-акустический генератор с двумя резонансными

 

Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод о том, что использование САД позволит повысить быстродействие измерения температуры газового потока ГТД и, как следствие, оперативно принимать меры по устранению помпажа.

 

 

Список используемых источников:

1)                Д.С. Матвеев, А.Р. Саитбаталов Применение современных технологий в системах автоматического управления газоперекачивающими агрегатами. сборник научных трудов III Международной (VI Всероссийской) научно-технической конференции. Т.2: Проблемы автоматизации технологических процессов добычи, транспорта и переработки нефти и газа – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2017. – 246 с

2)                В.С. Чигрин, Ф. Мохаммадсадеги Экспериментальное исследование неустойчивых режимов работы ступени осевого компрессора. Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». г.Харьков, 2015г.

3)                А.В. Рудаченко, Н.В. Чухареева Газотурбинные установки для транспорта природного газа. Томский политехнический университет, г.Томск. 2011.

4)                В.П. Токарев, Д.Д. Кудашов Система диагностики предпомпажного состояния газотурбинного двигателя. УГАТУ, г.Уфа. 2013.

5)                Патент 504884 СССР МКИ F 04D 27/02. Способ защиты компрессора от помпажа / В. Б. Фрумкин [и др.] № 1915552/24-6; заявл. 16.05.73, опубл. 28.02.76, бюл. № 8.

6)                Г.П. Шибанов Автоматизация процесса защиты газотурбинных двигателей от помпажа. Журнал Мехатроника, автоматизация, управление, Том 17, № 9, 2016 г.

7)                А.С. Надршин, Д.С. Матвеев, М.С. Кравченко Применение в газоперекачивающем агрегате быстродействующих измерителей температуры газового потока на основе струйно-акустических датчиков / Высшая школа: научные исследования. Материалы Межвузовского научного конгресса (г. Москва, 25 октября 2019 г.). Часть 2. – Москва: Издательство Инфинити, 2019. – 136 с.

8)                А.С. Надршин, Д.С. Матвеев, Г.И. Мурзагалиева Быстродействующие системы измерения температуры газов газотурбинных двигателей / Сборник тезисов IX всероссийской научно-технической конференции молодых специалистов. Уфа – 2018.

9)                А.С. Надршин, Д.С. Матвеев, М.С. Кравченко Выбор струйного генератора для быстродействующего измерителя температуры газового потока / «Вестник НИЦ МИСИ: актуальные вопросы современной науки»: электронный международный научный журнал. – М.: НИЦ МИСИ. – 2019. - № 22. – 104 с.