Способ обнаружения попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора и система для его реализации

Авторы патента:

Хавкин Андрей Львович (RU)

Гузельбаев Яхия Зиннатович (RU)

Ахметзянов Альберт Мингаязович (RU)

G01M15/14 - Испытание машин и двигателей (испытание топливовпрыскивающей аппаратуры F02M 65/00; испытание зажигания двигателей внутреннего сгорания, например проверка синхронизации F02P 17/00; обнаружение стуков в двигателях внутреннего сгорания G01L 23/22)

F01D21/00 - Остановка (отключение) турбин и турбомашин, например в экстренных случаях; регулирующие, управляющие или предохранительные устройства, не отнесенные к другим рубрикам

Владельцы патента RU 2680770:

Акционерное общество "Научно-исследовательский и конструкторский институт центробежных и роторных компрессоров им. В.Б. Шнеппа" (RU)

Изобретения относятся к области компрессоростроения, в частности к системам защиты турбокомпрессоров, и могут быть использованы в различных отраслях промышленности и позволяют повысить надежность распознавания попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора при одновременном упрощении способа и системы обнаружения попадания данных объектов. Основой способа обнаружения попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора является сравнение параметра, отражающего динамику возрастания крутящего момента на приводном валу ротора компрессора, с его пороговым значением. Способ заключается в том, что в качестве параметра, отражающего динамику возрастания крутящего момента, используется отношение дисперсии величины сигнала момента к квадрату его среднего значения, а сигнал распознавания формируется при превышении величиной указанного отношения своего порогового значения при условии возрастания крутящего момента и невозрастания частоты вращения ротора. Система распознавания попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора содержит датчик частоты вращения 1 и датчик крутящего момента 2, установленные на приводном валу ротора турбокомпрессора 15, фильтры нижних частот (ФНЧ) 3, 4 и 9, сумматоры 5 и 6, умножители 7 и 8, делитель 10, компараторы 11, 12, 13 и логический элемент «И» 14. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретения относится к области компрессоростроения, в частности, к системам защиты турбокомпрессоров от попадания в его проточную часть посторонних объектов.

Попадание несжимаемых объектов в проточную часть центробежных и осевых компрессоров, например жидкости или твердых предметов, приводит к существенным динамическим нагрузкам на элементы ротора. Это может привести к повреждению лопаток компрессора и, как следствие, выходу компрессора из строя. Обнаружение попадания несжимаемых объектов в проточную часть компрессора позволяет предотвратить повреждение компрессора и возникновение аварийной ситуации, требующей последующих затрат на ремонт компрессора, его технологические простои и ликвидацию последствий аварий и избежать.

Известен способ автоматизированного обнаружения попадания инородного тела в газотурбинный двигатель, заключающийся в измерении параметров ротора, формировании параметра для сравнения с пороговым значением, и при превышении порогового значения этого параметра с пороговым значением формирование сигнала попадания объекта в проточную часть ротора. Реализация данного способа требует использования системы для обнаружения попадания несжимаемых объектов, включающей в себя различные датчики характеристик ротора, значения которых влияют на формирование параметра, характеризующего попадание инородного тела в проточную часть двигателя. Способ предусматривает измерение мгновенного режима ротора, фильтрацию сигнала режима ротора для разделения его статической и динамической составляющих, сравнение отфильтрованной динамической составляющей с эталонной резонансной волной ротора для получения показателя попадания, причем эталонная резонансная волна соответствует вибрационной импульсной реакции ротора, сравнении полученного показателя попадания с пороговым значением и подаче соответствующего сигнала обнаружения попадания инородного тела, при превышении показателя попадания своего порогового значения. (Патент RU 2551252, публ. 2015 г.).

Преимуществом данного способа является то, что он не требует использования дополнительных датчиков и позволяет обнаружить попадание тел со «слабой энергией», приводящим к вибрациям с малой амплитудой.

К недостаткам указанного способа следует отнести, прежде всего, сложность практической реализации, т.к. для осуществления требуется применение датчиков режимных параметров ротора с частотным диапазоном, существенно превышающим частоты его крутильных колебаний. Это может потребовать разработку и установку дополнительных приборов, т.к. применяемые штатно приборы для автоматизации работы газотурбинных двигателей и турбокомпрессоров не требуют столь широкого частотного диапазона. Дополнительная сложность связана с тем, что для реализации способа необходимо непрерывно в реальном масштабе времени проводить вычисление математической свертки текущего сигнала динамической составляющей режима ротора и эталонной волны для формирования показателя попадания, что требует применения специализированного оборудования обладающего высоким быстродействием и большой вычислительной мощностью. Применительно к турбокомпрессорам, недостатком способа по прототипу является также то, что в процессе эксплуатации импульсная реакция первой крутильной моды ротора может измениться относительно эталонной, что не позволит обнаружить попадание инородного тела. Изменение импульсной реакции может быть следствием изменения собственных частот и ослабления (демпфирования) из-за налипания на лопатки продуктов компримирования или попадания жидкости.

Задачей, на решение которой направлены заявленные изобретения, является повышение надежности распознавания попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора при одновременном упрощении способа обнаружения и реализующей его системы распознавания попадания данных объектов в проточную часть турбокомпрессора.

Задача решается тем, что по способу обнаружения попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора, заключающемся в непрерывном измерении параметров ротора, определении показателя, характеризующего попадание несжимаемого объекта в проточную часть турбокомпрессора, сравнении данного параметра с его пороговым значением и формировании сигнала попадания несжимаемого объекта в проточную часть турбокомпрессора, в качестве параметров ротора измеряют его частоту вращения и крутящий момент на приводном валу, причем в качестве показателя, характеризующего попадание несжимаемого объекта в проточную часть турбокомпрессора, принимают отношение дисперсии сигнала крутящего момента к квадрату его среднего значения, причем сигнал попадания несжимаемого объекта в проточную часть формируют, если данный показатель превысит пороговое значение при условии возрастания крутящего момента и невозрастания частоты вращения ротора.

Задача решается также тем, что в системе для обнаружения попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора, содержащей датчики характеристик ротора, указанные датчики включают в себя датчик частоты вращения и датчик крутящего момента на приводном валу ротора компрессора, при этом выход датчика крутящего момента соединен с входами первого фильтра нижних частот и первого сумматора, инверсный вход которого подключен к выходу первого фильтра нижних частот, а выход первого сумматора соединен со входом первого умножителя, причем выход первого фильтра нижних частот соединен с входом второго умножителя, а один из выходов первого умножителя через второй фильтр нижних частот соединен со одним из входов делителя, второй вход которого соединен с выходом второго умножителя, при этом второй выход умножителя соединен с входом в первый компаратор, а выход делителя является входом второго компаратора, при этом датчик частоты вращения соединен со входами третьего фильтра нижних частот и второго сумматора, инверсный вход которого подключен к выходу третьего фильтра нижних частот, а выход сумматора является входом третьего компаратора, причем входы всех компараторов подключены к входу логического элемента «И».

Изобретения поясняются графически, где на фиг. 1 представлена блок-схема системы обнаружения попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора, реализующая способ обнаружения попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора.

Система распознавания попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора содержит датчик частоты вращения 1 и датчик крутящего момента 2 установленные на приводном валу ротора турбокомпрессора 15, фильтры нижних частот (ФНЧ) 3,4 и 9, сумматоры 5 и 6, умножители 7 и 8, делитель 10, компараторы 11, 12, 13 и логический элемент «И» 14.

В системе выход датчика 2 соединен с прямым входом сумматора 5 и входом ФНЧ 3, выход ФНЧ 3 соединен с инверсным входом сумматора 5 и входами умножителя 8, выход сумматора 5 соединен со входами умножителя 7 и компаратора 11, выход умножителя 7 через ФНЧ 9 соединен со входом делителя 10, другой вход которого соединен с выходом умножителя 8, а выход делителя 10 соединен со входом компаратора 12, выход датчика 1 соединен с прямым входом сумматора 6 и входом ФНЧ 4, выход ФНЧ 4 соединен с инверсным входом со входом сумматора 6, выход которого соединен с компаратором 13. Выходы компараторов 11, 12 и 13 соединены со входами логического элемента «И» 14.

Система работает следующим образом.

В процессе работы турбокомпрессора датчик 2 непрерывно измеряет значение крутящего момента на приводном валу ротора. Сигнал датчика поступает на ФНЧ 3, на выходе которого формируется сигнал среднего значения крутящего момента. Одновременно, сигнал датчика 2 поступает на прямой вход сумматора 5 на инвертирующий вход которого поступает среднее значение указанного сигнала с выхода ФНЧ 3, при этом на выходе сумматора 5 формируется разность между текущим и средним значениями сигнала датчика крутящего момента, которая одновременно является параметром, отражающем тенденцию изменения величины сигнала крутящего момента или дифференцированное значение сигнала датчика. Разностный сигнал с выхода сумматора 5 поступает на входы умножителя 7, на выходе которого формируется квадрат значения разностного сигнала, который поступает на вход ФНЧ 9, на выходе которого формируется текущая величина дисперсии сигнала крутящего момента. Выход ФНЧ 3 также поступает на входы умножителя 8, на выходе которого формируется значение квадрата среднего значения сигнала датчика крутящего момента. Выходные сигналы ФНЧ 9 и умножителя 8 поступают на входы делителя 10, на выходе которого формируется сигнал отношения дисперсии сигнала датчика момента к квадрату его среднего значения. Этот сигнал с выхода делителя 10 поступает на вход компаратора 12 на выходе которого формируется сигнал сравнения значения указанного сигнала отношения с его пороговым значением. Разностный сигнал с выхода сумматора 5 также поступает на вход компаратора 11 на выходе которого формируется сигнал признака отражающего тенденцию возрастания значения крутящего момента. Датчик 1 непрерывно измеряет частоту вращения ротора. Сигнал датчика поступает на ФНЧ 4, на выходе которого формируется среднее значение частоты вращения. Одновременно, сигнал датчика 1 поступает на прямой вход сумматора 6 на инвертирующий вход которого поступает среднее значение указанного сигнала с выхода ФНЧ 4, при этом на выходе сумматора 6 формируется разностный сигнал отражающий тенденцию изменения величины сигнала частоты вращения или дифференцированное значение сигнала датчика. Разностный сигнал с выхода сумматора 6 поступает на вход компаратора 13 на выходе которого формируется сигнал признака отражающего тенденцию невозрастания значения частоты вращения. Попадание несжимаемаемого объекта в проточную часть турбокомпрессора приводит к резкому возрастанию значения крутящего момента и повышению отношения дисперсии сигнала к квадрату его среднего значения, а скорость вращения ротора при этом снизится или перестанет возрастать. При этом на выходах компараторов 11, 12 и 13 установятся сигналы логической единицы, которые поступят на входы логического элемента И 14 на выходе которого сформируется сигнал распознавания попадания несжимаемаемого объекта в проточную часть.

Сигнал попадания несжимаемаемого объекта в проточную часть предназначен для использования в системах автоматического управления турбокомпрессоров в целях сигнализации или аварийной защиты.

В основу способа обнаружения попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора положено использование параметра динамики возрастания крутящего момента на приводном валу ротора компрессора, в качестве которого используется отношение дисперсии величины сигнала датчика момента на приводном валу ротора компрессора к квадрату его среднего значения, а сигнал распознавания формируется при превышении величиной указанного параметра своего порогового значения при условии возрастания крутящего момента и невозрастания частоты вращения ротора. То есть, для практической реализации способа необходимо измерение в реальном масштабе времени крутящего момента на приводном валу и частоты вращения и ротора компрессора, вычисление дисперсии сигнала датчика крутящего момента и квадрата его среднего значения, а также определения тенденций поведения сигналов указанных датчиков.

Способ обнаружения попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора реализуется следующим образом.

В процессе работы турбокомпрессора непрерывно измеряют частоту вращения и крутящий момент на приводном валу ротора компрессора и формируют параметр, характеризующий динамику возрастания значения крутящего момента, в качестве которого используется непрерывно вычисляемое отношение дисперсии сигнала крутящего момента к квадрату его среднего значения:

где R_M - параметр характеризующий динамику изменения значения крутящего момента;

М - значение сигнала крутящего момента;

- среднее значение сигнала крутящего момента;

- дисперсия сигнала крутящего момента.

Сигнал попадания несжимаемых объектов в проточную часть формируется при выполнении следующих условий:

S_F=1 если

где R_nop - пороговое значение параметра динамики изменения значения крутящего момента;

ω - частота вращения ротора компрессора.

Таким образом, сигнал формируется, если значение параметра динамики возрастания крутящего момента превысит свое пороговое значение при условии невозрастания частоты вращения ротора.

Изобретения позволяют достаточным простым способом реализовать обнаружение попадания посторонних объектов

1. Способ обнаружения попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора, включающий непрерывное измерение параметров ротора, определение параметра, характеризующего попадание несжимаемого объекта в проточную часть турбокомпрессора, сравнение данного параметра с его пороговым значением и формирование сигнала попадания несжимаемого объекта в проточную часть турбокомпрессора, отличающийся тем, что измеряемыми параметрами ротора являются частота вращения и крутящий момент на его приводном валу, причем параметром, характеризующим попадание несжимаемого объекта в проточную часть турбокомпрессора, является отношение дисперсии сигнала крутящего момента к квадрату его среднего значения, причем сигнал попадания несжимаемого объекта в проточную часть формируют, если данный показатель превысит пороговое значение при условии возрастания крутящего момента и невозрастания частоты вращения ротора.

2. Система для обнаружения попадания несжимаемых объектов в проточную часть турбокомпрессора, содержащая датчики характеристик ротора, отличающаяся тем, что датчики характеристик ротора включают в себя датчик частоты вращения и датчик крутящего момента на приводном валу ротора компрессора, при этом выход датчика крутящего момента соединен с входами первого фильтра нижних частот и первого сумматора, инверсный вход которого подключен к выходу первого фильтра нижних частот, а выход первого сумматора соединен с входом первого умножителя, причем выход первого фильтра нижних частот соединен с входом второго умножителя, а один из выходов первого умножителя через второй фильтр нижних частот соединен с одним из входов делителя, второй вход которого соединен с выходом второго умножителя, при этом второй выход умножителя соединен с входом в первый компаратор, а выход делителя является входом второго компаратора, при этом датчик частоты вращения соединен с входами третьего фильтра нижних частот и второго сумматора, инверсный вход которого подключен к выходу третьего фильтра нижних частот, а выход сумматора является входом третьего компаратора, причем входы всех компараторов подключены к входу логического элемента «И».

Изобретение относится к области диагностики технического состояния машин. Технический результат - разработка переносного мобильного устройства для осуществления автоматизированного мониторинга агрегатов технологического оборудования по признакам вибрации, частоты вращения и температуры во взрывоопасных зонах.

Способ и устройство измерения загрязняющих веществ, содержащихся в выхлопе двигателя // 2679688

Изобретение относится к способу измерения загрязняющих веществ, содержащихся в выхлопном потоке на выходе двигателя, содержащему следующие этапы, на которых располагают зонд так, чтобы отверстие отбора проб указанного зонда находилось на поверхности отбора проб, расположенной на выходе двигателя в выхлопном потоке.

Устройство для испытания жидкостных ракетных двигателей // 2679066

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано для экспериментальной отработки жидкостных ракетных двигательных установок, в частности, с целью имитации высотных условий при их создании и модернизации.

Способ для двигателя (варианты) и система для двигателя // 2678609

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Способ для двигателя заключается в том, что определяют состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора на основании скоростей реакций каждой из группы окислителей, содержащей NOx, O2, H2O и CO2 соединения отработавших газов, и группы восстановителей, содержащей CO, HC, H2, H2O соединения отработавших газов, на протяжении каталитического нейтрализатора, одномерной модели, усредненной по пространству и времени, и уравнений баланса масс и энергетического баланса для текучей фазы и тонкого покрытия каталитического нейтрализатора.

Система обнаружения утечки во всасывающем трубопроводе двигателя внутреннего сгорания // 2677775

Изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания, оборудованных по меньшей мере одним каналом низкого давления системы рециркуляции выхлопных газов.

Способ мониторинга деградации бортового устройства летательного аппарата, включающий в себя определение порога подсчета // 2677757

Изобретение относится к способу мониторинга деградации бортового устройства летательного аппарата во время его работы. Для этого с помощью вычислительного устройства определяют степень деградации бортового устройства по показателю дефектности, который определяют подсчитыванием возникающих дефектов системой контроля устройства в ходе его работы определенным образом, сравнивают показатель дефектности с порогом принятия решения, передают тревожный сигнал в случае его достижения или превышения.

Способ и устройство для восстановления двигателя внутреннего сгорания // 2677300

Группа изобретений относится к средствам восстановления двигателя внутреннего сгорания. Задача создания группы изобретений и достигнутый технический результат: улучшение очистки газовоздушного тракта двигателя внутреннего сгорания.

Способ (варианты) и система для измерения влажности наружного воздуха посредством датчика выхлопных газов // 2676839

Изобретение относится к машиностроению, в частности к измерению влажности наружного воздуха посредством датчика выхлопных газов. Способ управления двигателем содержит следующие этапы: избирательно отключают первую группу цилиндров, оставляя при этом включенной вторую группу цилиндров.

Способ (варианты) и система для определения влажности воздуха и наличия потока из картера посредством датчика выхлопного газа // 2676831

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Способ для системы двигателя заключается в том, что в условиях отсутствия подачи топлива в двигатель (10), когда работают по меньшей мере один впускной клапан (52) и один выпускной клапан (54), модулируют эталонное напряжение датчика (126) отработавших газов при закрытой и открытой впускной дроссельной заслонке (62).

Отметчик оборотов коленчатого вала судового двигателя внутреннего сгорания // 2674817

Отметчик оборотов относится к области техники дизелестроения, а именно к устройствам контроля проворота коленчатого вала главного судового дизельного двигателя с воздушной системой пуска и может использоваться в машиностроении для повышения надежности пуска дизеля.

Картер газотурбинного двигателя, газотурбинный двигатель, крышка картера и способ эндоскопии и/или дефектоскопии // 2675425

Картер газотурбинного двигателя содержит эндоскопическое отверстие и приспособление, установленное и закрепленное на картере, средства крепления приспособления на картере, а также заглушку и крышку.

Двухконтурный газотурбинный двигатель с устройством разъединения // 2672812

Двухконтурный газотурбинный двигатель, содержащий вентилятор, установленный с возможностью вращения на валу (1) вентилятора, и неподвижный конструктивный элемент (2), при этом упомянутый вал (1) вентилятора и упомянутый конструктивный элемент (2) соединены между собой на уровне входного опорного подшипника (5) и выходного опорного подшипника (7) соответственно через опору (4) входного подшипника и опору (6) выходного подшипника, и устройство (3) разъединения, окружающее упомянутый вал (1) вентилятора и содержащее набор крепежных винтов (10), соединяющих опору (6) выходного подшипника с упомянутым конструктивным элементом (2) неподвижным соединением, и набор предохранительных винтов (20), соединяющих опору (4) входного подшипника с упомянутой опорой (6) выходного подшипника разрывным соединением.

Узел турбомашины для измерения вибраций, действующих на лопатку во время вращения // 2671924

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройству контроля вибраций узла турбомашины. Машина содержит корпус и подвижное рабочее колесо, вращающееся в корпусе.

Устройство для центровки и направления во вращении вала газотурбинного двигателя, содержащее усовершенствованные средства удержания наружного кольца опорного подшипника // 2664726

Устройство центровки и направления во вращении вала газотурбинного двигателя включает опорный подшипник качения, содержащий наружное кольцо, опору подшипника, окружающую наружное кольцо, обойму, установленную между наружным кольцом и опорой подшипника, средства соединения наружного кольца с опорой подшипника и средства удержания наружного кольца в осевом направлении.

Способ эксплуатации механической установки со сплошным валом // 2658724

Изобретение относится к способу эксплуатации имеющей сплошной вал механической установки с этапами: а) определение расчетным путем собственной частоты по меньшей мере одного режима крутильных колебаний сплошного вала и определение расчетным путем возникающих во время периода колебаний режима крутильных колебаний механических напряжений сплошного вала, б) определение, соответственно, соотношения для каждого режима крутильных колебаний между первой амплитудой напряжения, которая возникает в положении сплошного вала, которое подвержено потерям напряжения, и второй амплитудой напряжения, которая возникает в точке замера сплошного вала, на основании определенных расчетным путем для соответствующего режима крутильных колебаний напряжений, в) установление максимальной первой амплитуды напряжения для положения, г) определение соответствующей максимальной первой амплитуде напряжения максимальной второй амплитуды напряжения для точки замера на основании соотношения, д) измерение напряжения сплошного вала во время вращения сплошного вала в точке замера, в зависимости от времени, е) определение амплитуды напряжения при каждой собственной частоте на основании измеренного напряжения, ж) выдача сигнала в случае, когда определенная на основании измеренных напряжений амплитуда напряжения при одной из собственных частот достигает максимальной второй амплитуды напряжения.

Компонент ротора для узла ротора машины, приводимой в действие энергией текучей среды, узел ротора и машина, способ изготовления такого компонента ротора и способ контроля его концентричности // 2658173

Компонент ротора для узла ротора машины, приводимой в действие энергией текучей среды, выполнен из материала, подверженного коррозии и/или окислению, и расположен концентрично оси вращения узла ротора.

Турбомашина, содержашая сигнализатор износа картера // 2657391

Группа изобретений относится к турбомашине, центробежному компрессору, центробежному двухкаскадному компрессору и осевому компрессору. Турбомашина содержит картер с внутренней стенкой, образующей стенку воздушного тракта, и по меньшей мере одно отверстие, которое проходит через картер, входит в указанный воздушный тракт и образует проход для эндоскопа, причем отверстие во время работы турбомашины закрыто пробкой, которая имеет участок концевой поверхности в продолжение внутренней стенки.

Турбомашина, содержащая средства измерения скорости и крутящего момента вала турбомашины, и способ контроля упомянутого вала // 2654796

Турбомашина для летательного аппарата, содержащая по меньшей мере один осевой вал (2), установленный вращающимся в корпусе турбомашины; причем турбомашина содержит эталонную кольцевую деталь (10), содержащую короткие (11) и длинные (12) продольные эталонные зубья, первые средства обнаружения прохождения коротких (11) и длинных (12) эталонных зубьев для измерения скорости вала (2) турбомашины (1) вокруг его оси (X), угломерную кольцевую деталь (20), содержащую продольные угломерные зубья (21), и вторые средства обнаружения прохождения длинных (12) эталонных зубьев и угломерных зубьев (21) для измерения крутящего момента вала (2) турбомашины.

Способ защиты корпуса лопаточных машин и устройство, реализующее способ // 2652857

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам защиты корпуса лопаточных машин от пробиваемости при обрыве лопатки и устройствам, реализующим указанный способ, и может быть использовано в вентиляторах и/или компрессорах газотурбинных двигателей, в том числе в авиадвигателях для защиты от разрушения корпуса, изготовленного из материала, прочностные характеристика которого ниже прочностных характеристик материала лопаток ротора.

Способ управления двухроторным газотурбинным двигателем самолета при останове // 2648528

Изобретение относится к управлению авиационным двигателем. Способ управления двухроторным газотурбинным двигателем самолета при останове заключается в уменьшении частоты вращения вала ротора высокого давления и вала ротора низкого давления.