Вібраційне горіння в низькоемісійних камерах згоряння газотурбінних установок - Автореферат

Проблема боротьби з вібраційним горінням загострилась у звязку зі створенням низькоемісійних камер згоряння (КЗ) для газотурбінних установок (ГТУ). Вібраційне горіння є недопустимим, оскільки призводить до швидкого руйнування елементів камери згоряння та прогарів ГТД. Вперше розроблена методика виявлення вібраційного горіння в низькоемісійних камерах згоряння газотурбінних установок, яка, на відміну від відомих рішень, базується на реєстрації вібраційних сигналів з подальшою їх обробкою методами вузькосмужного спектрального аналізу. Розроблена методика виявлення вібраційного горіння в низькоемісійних камерах згоряння та її апаратурна реалізація у вигляді пристрою - “Сигналізатор вібраційного горіння”, який базується на використанні сигналів штатного датчика вібрації, що встановлюється на корпусі КЗ ГТУ, впроваджено у виробництво ДП НВКГ “Зоря - Машпроект”, м. У надрукованих статтях, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належать наступні особисті наукові внески: теоретичне обґрунтування використання методів скалярного, спектрального та вейвлет-аналізу для обробки віброакустичної інформації [1,15], систематизація обліку змін експлуатаційних характеристик та розробка алгоритму автоматичного контролю параметрів ГТУ [2,3], аналіз форм та обґрунтування причин виникнення нестійких режимів роботи камер згоряння ГТУ, постановка проблеми різноманітності форм нестійких режимів роботи ГТУ, дослідження проблеми інтелектуального керування складними системами в умовах впливу дестабілізуючих факторів [4,5,6,10], формалізація механізму автоколивань при вібраційному горінні, дослідження газодинамічної і гідродинамічної стійкості ГТУ, залежності частотного діапазону автоколивань від первопричин віброгоріння [7-9], вирішення задачі регулювання подачі палива в камеру згоряння, натурні випробування і теоретичні дослідження характеристик відцентрових нагнітачів ГТУ, вдосконалення способу визначення витрат газоподібних і рідких середовищ [11-14].Вирішена наукова задача виявлення режиму вібраційного горіння в низькоемісійних камерах згоряння газотурбінних установок на основі застосування методів вузькосмужної обробки вібраційних сигналів КЗ, що дозволило отримати наступні результати. На основі спектрального аналізу сигналів датчиків пульсацій тиску і вібрації, встановлених у районі КЗ ГТУ типу ДН-80, виявлено лінійну залежність між амплітудами пульсацій тиску в камері згоряння ГТУ та віброприскоренням корпусу КЗ при різних частотах коливань. Встановлено, що рівень кореляції між складовими спектрів, отриманими з датчиків пульсацій тиску і вібрації, встановлених в районі КЗ, становить 0,999, що свідчить про можливість використання сигналу штатного датчика вібрації для виявлення вібраційного горіння в камері згорання ГТУ. Розроблено математичну модель камери згоряння ГТУ з урахуванням наступних динамічних факторів: - динамічного запізнення заповнення “холодної” частини камери згоряння, що визначає темп змін тиску за компресором залежно від різних витрат повітря у зоні горіння і за компресором; динамічного запізнення заповнення “гарячої” частини камери згоряння, яка визначає темп змін температури і тиску на виході КЗ залежно від різних витрат повітря у зоні горіння і в турбіні компресора;

Загальна характеристика роботи вібраційне горіння газотурбінна установка

Вирішена наукова задача виявлення режиму вібраційного горіння в низькоемісійних камерах згоряння газотурбінних установок на основі застосування методів вузькосмужної обробки вібраційних сигналів КЗ, що дозволило отримати наступні результати.

1. На основі спектрального аналізу сигналів датчиків пульсацій тиску і вібрації, встановлених у районі КЗ ГТУ типу ДН-80, виявлено лінійну залежність між амплітудами пульсацій тиску в камері згоряння ГТУ та віброприскоренням корпусу КЗ при різних частотах коливань. Встановлено, що рівень кореляції між складовими спектрів, отриманими з датчиків пульсацій тиску і вібрації, встановлених в районі КЗ, становить 0,999, що свідчить про можливість використання сигналу штатного датчика вібрації для виявлення вібраційного горіння в камері згорання ГТУ.

2. На основі аналізу особливостей процесу організації горіння в сучасних низькоемісійних камерах згоряння ГТУ, розроблено формалізований опис механізмів і причин вібраційного горіння, обґрунтовані вимоги до математичної моделі досліджуваного процесу.

3. Розроблено математичну модель камери згоряння ГТУ з урахуванням наступних динамічних факторів: - динамічного запізнення заповнення “холодної” частини камери згоряння, що визначає темп змін тиску за компресором залежно від різних витрат повітря у зоні горіння і за компресором;

- інертності руху продуктів згоряння в жаровій трубі, що визначає темп змін витрат повітря у зоні горіння залежно від різниці тиску повітря в ділянці форсунок на вході в зону горіння та на виході КЗ;

- динамічного запізнення заповнення “гарячої” частини камери згоряння, яка визначає темп змін температури і тиску на виході КЗ залежно від різних витрат повітря у зоні горіння і в турбіні компресора;

- динамічного запізнення заповнення пневматичної ємності трубопроводу тракту подачі паливного газу, що визначає темп змін тиску в середині трубопроводу залежно від різних витрат паливного газу через ПРК і форсунки паливного газу;

- інерційності руху мас паливного газу в тракті подачі паливного газу, що визначає темп змін витрат паливного газу через ПРК і форсунки.

4. В результаті виконання математичного моделювання динаміки КЗ ГТУ типу ДН-80 одержана амплітудно-частотна характеристика коливань тиску в КЗ. Згідно з результатами математичного моделювання, характерними для встановлення автоколивань в низькоемісійній КЗ є два діапазони частот: Dfнч=25...50 Гц та Dfвч=430...525 Гц. Високочастотний діапазон Dfвч проявлення вібраційного горіння в 3,2 раза ширше, ніж низькочастотний Dfнч. Максимальна амплітуда низькочастотних коливань в 1,8 раза вище високочастотних.

5. Вперше розроблена методика виявлення режиму вібраційного горіння в низькоемісійних камерах згоряння ГТУ на основі вібраційних сигналів з використанням методів вузькосмужної спектральної обробки. На відміну від існуючих, як вихідне джерело інформації використовується сигнал від датчика вібрації, встановленого на корпусі камери згоряння ГТУ. Методика базується на ідеї виділення зі смуги частот роторних гармонік сигналу, пропорційного СКЗ віброшвидкості, що відповідає гармонікам вібраційного горіння камери згоряння.

6. В результаті проведення натурного експерименту на двигуні типу ДН-80, який є приводом газоперекачувального агрегату ГПА-25С, виявлено домінуючі гармоніки коливань при виникненні процесів вібраційного горіння в його низькоемісійній камері згоряння. Вібраційне горіння виявляється на частоті 31,7 Гц у низькочастотній ділянці спектра і 400…500 Гц у високочастотній ділянці. Амплітуда низькочастотних коливань в 1,4 рази перевищує амплітуду високочастотних складових.

7. Адекватність розробленої математичної моделі динаміки камери згоряння ГТУ підтверджується узгодженням отриманих результатів математичного моделювання з даними натурного експерименту для ГТУ типу ДН-80.

8. На основі штатного датчика вібрації, встановленого на корпусі КЗ ГТУ, застосування додаткових формувачів сигналів і цифрового програмованого автомату, розроблено і створено апаратурний “Сигналізатор вібраційного горіння”, а також експериментальний стенд та програмне забезпечення для проведення настройки, калібрування та випробувань апаратури з виявлення нестійкого горіння в КЗ ГТУ, яка базується на вібраційних сигналах.

9. Отримана в результаті проведення стендових експериментальних досліджень амплітудно-частотна характеристика фільтрів розробленого “Сигналізатора вібраційного горіння”, свідчить про забезпечення видачі відповідних сигналів за наявності факту вібраційного горіння в камері згоряння ГТУ. Створений “Сигналізатор вібраційного горіння” може бути використаний у штатній системі автоматичного керування ГТУ, а також при реалізації систем активного подавлення вібраційного горіння.

10. Достовірність розробленої методики та працездатність створеного “Сигналізатора вібраційного горіння” підтверджено результатами їх заводських випробувань на стенді ГТУ типу ДГ-90 в ДП НВКГ “Зоря-Машпроект”, м. Миколаїв.

Основні теоретичні і практичні результати дисертаційної роботи можуть бути використані в експериментальних конструкторських бюро, науково-дослідних установах та інститутах, які займаються розробкою та доведенням камер згоряння ГТУ, а також експлуатаційними організаціями для виявлення нестійких режимів роботи ГТУ з низькоемісійними КЗ.

1. Пустовий С.О., Налісний М.Б. Методика оперативної скалярно-спектральної обробки віброакустичної діагностичної інформації // Труди академії. - К.: Нац. академія оборони України. - 2004. - №54. - С. 200-206.

2. Герасименко В.П., Мандра А.С., Налесный Н.Б., Нурмухаметов Т.М. Адаптивное математическое моделирование газотурбинного привода газоперекачивающего агрегата // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т “ХАИ”. - 2005. - Вып. 2/18. - С. 49-53.

3. Квасников В.П., Борковская Л.А., Налесный Н.Б. Алгоритм контроля геометрических параметров деталей газотурбинных двигателей // Вісник Хмельницького нац. ун-ту. - Хмельницький: ХНУ.- 2005. - №6. - Т.1 (76). - С.165-168.

4. Налісний М.Б. Аналіз стану газоперекачувальних агрегатів на компресорних станціях УМГ “Черкаситрансгаз” // Нафтова і газова промисловість. - Київ: НАК “Нафтогаз України”. - 2005. - №3. - С. 47-49.

5. Герасименко В.П., Налесный Н.Б. Вибрационное горение в камерах сгорания ГТД // Вестник нац. технич. ун-та. “ХПИ”. - Харьков: НТУ “ХПИ”. - 2006. - №5. - С. 53-58.

6. Герасименко В.П., Налесный Н.Б. Механизмы вибрационного горения в камерах сгорания ГТД //Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т “ХАИ”. - 2006. - Вып. 3/29. - С. 48-52.

7. Налесный Н.Б., Герасименко В.П., Проблемы вибрационного горения в газотурбинных приводах газоперекачиваючих агрегатов // Компрессорное и энергетическое машиностроение. - Сумы: Международ. ин-т компрес. и энергетич. машиностр. - 2006. - Вып. 3 (5). - С. 94-96.

8. Торхов М.И., Лозня С.В., Налесный Н.Б. Метод выявления вибрационного горения топлива в камерах сгорания газотурбинных установок // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т “ХАИ”. - 2006. - Вып. 10/36. - С. 103-106.

9. Ясиніцький Е.П., Торхов М.І., Лозня С.В., Налісний М.Б. Моделювання механізму автоколивань тиску при вібраційному горінні в низькоемісійних камерах згорання газотурбінних установок // Вісник Нац. авіаційн. ун-ту. - К.: НАУ. - 2006. - №1. - С. 105-108.

10. Декларац. патент на корисну модель № 13423 Україна. Спосіб визначення вібраційного горіння палива в камері згорання газотурбінного двигуна. Торхов М.І., Лозня С.В., Дударев Є.А., Налісний М.Б., Мандра А.С. Заявл. 30.01.2006.; Опубл. 15.03.2003., Бюл. №3. - С. 5.118.

11. Патент на корисну модель № 17826 Україна. Спосіб визначення витрати газоподібних і рідких середовищ. Беккер М.В., Налісний М.Б., Куньов А.Г., Ангелов В.В., Пономарьов Ю.В., Коток В.Б., Волков І.І., Бондарев С.А., Лобов П.О., Золотарьов О.М., Грінченко К.М., Бантюков Є.М. Заявл. 14.04.2006.; Опубл. 16.10.2006., Бюл. №10. - С. 5.145.

12. Налісний М.Б., Герасименко В.П., Саприкін С.О. Аналіз нестійких режимів роботи газоперекачувальних агрегатів // Матеріали 8-ї Міжнародної науково-практичної конференції “Нафта і газ України - 2004”. - К.: Українська нафтогазова академія. - 2004. - Том 2. - С. 163-164.

13. Налесный Н.Б., Герасименко В.П. Диагностирование неустойчивых режимов работы газоперекачивающего агрегата // Материалы 15-ой международной деловой встречи “Диагностика-2005”. - Москва: ОАО “Газпром”. - 2005. - Том 2. - С. 86-89.

14. L. L. Borkovskaya, M. Nalisnyy. Intellectual system of diagnostic parameters determination of coordinate measuring machines // Proceedings of the second world congress “Aviation in the XXI-st century” - “Safety in aviation.” - K.: NAU. - 2005. - р. 2.17-2.21.

15. Передерко А.Л., Налісний М.Б., Чекмарьов О.М. Анализ методов обработки сигнала вибрации для выработки управляющего воздействия // Матеріали VII міжнародної науково-технічної конференції “АВІА-2006”. - К.: НАУ. - 2006. - Том 1. - С. 11.87-11.90.