способ управления динамическими параметрами давления и оценки срока службы камеры сгорания газовой турбины

Формула изобретения

1. Способ управления горением в газовой турбине, содержащей по меньшей мере один компрессор (10), выполненный с возможностью сжатия воздуха, вводимого в него через впускной канал (12), по меньшей мере одну камеру (14) сгорания, в которой сжатый воздух смешивается с газообразным топливом, поступающим из подводящего канала (16), и по меньшей мере одну турбину (20), выполненную с возможностью преобразования энергии газа, поступающего из камеры (14) сгорания, в энергию работы, которая может быть использована для приведения в действие одной или более рабочей машины (22), при этом способ включает:

измерение с помощью одного или более датчиков (30), расположенных в соответствии с камерой (14) сгорания, амплитуды колебаний давления внутри камеры (14) сгорания и длительности действия или цикла этих колебаний;

оценку поведения камеры (14) сгорания при усталостном режиме работы путем построения кривой Велера для некоторого материала, который образует камеру (14) сгорания, для заданной частоты горения и для значений амплитуды и цикла измеренных колебаний давления;

измерение накопленного повреждения (D) камеры (14) сгорания во время ее работы при усталостном режиме работы турбины с помощью гипотезы Палмгрена-Майнера, причем гипотеза Палмгрена-Майнера определяется следующим образом:



где D - накопленное повреждение; k - количество уровней амплитуды; N_i - количество циклов, необходимое для достижения разрушения при i-м уровне амплитуды, определяемое из указанной кривой Велера; n_i -количество циклов, которые прошли при i-м уровне амплитуды, осуществление защитных действий в турбине, если измеренная величина накопленного повреждения (D) превышает предельное значение.

2. Способ по п.1, дополнительно включающий аппроксимацию с помощью экспоненциальной регрессии f(x) измеренных значений циклов и амплитуд.

3. Способ по п.2, дополнительно включающий вычисление обратной функции g(x) для экспоненциальной регрессии f(x) для определения количества циклов (N_i).

4. Способ по п.1, в котором защитные действия включают в себя перевод турбины в режим работы с диффузионным горением и уменьшение колебаний давления внутри указанной камеры (14) сгорания.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретения относится к способу управления динамическими параметрами давления и оценки срока службы камеры сгорания газовой турбины.

Уровень техники

Известно, что для производства электроэнергии могут использоваться газовые турбины, обычно состоящие из многоступенчатого компрессора, в котором сжимается воздух, засасываемый снаружи, камеры сгорания, в которой происходит горение газообразного горючего, добавленного к сжатому воздуху, и турбины или расширителя, в котором газы, поступающие из камеры сгорания, расширяются. Турбина также способна генерировать механическую энергию, которая может быть использована для приведения в действие рабочих машин или для питания электрогенераторов.

Известные способы управления динамическими параметрами давления камеры сгорания газовой турбины предусматривают, что некоторое защитное действие осуществляется только после того, как напряжение, имеющее определенный уровень амплитуды, фиксируется для некоторого периода времени. Кроме того, только ограниченное число критичных амплитуд принимается во внимание, причем периоды времени устанавливаются на базе оценок, основанных на опытных данных.

В результате получается, что воздействие, направленное на защиту целостности камеры сгорания и, следовательно, турбины, осуществляется только после достижения некоторого порога усталости, причем усталостный срок службы компонентов турбины сам по себе может быть меньше данного порога. Как известно, усталость представляет собой механическое явление, в результате которого материал, подвергаемый в течение некоторого времени воздействию различных нагрузок, или постоянно или случайно, разрушается, даже если максимальная интенсивность рассматриваемых нагрузок много меньше предела прочности на разрыв или статического предела текучести самого материала.

Целью настоящего изобретения тем самым является создание способа управления динамическими параметрами давления и оценки срока службы камеры сгорания газовой турбины, способного установить на основе измерений колебаний давления и используя специальные контрольно-измерительные и оценочные приборы допустимый порог усталости для подобной камеры сгорания, позволяя предпринимать соответствующие защитные действия, когда достигается нежелательное увеличение давления.

Другой целью настоящего изобретения является создание способа управления динамическими параметрами и оценки срока службы камеры сгорания газовой турбины, при котором возможно на основе полученных данных оптимизировать периодичность технического обслуживания компонентов самой камеры сгорания.

Сущность изобретения

Указанные цели настоящего изобретения достигаются путем создания способа управления динамическими параметрами давления и оценки срока службы камеры сгорания газовой турбины.

Дополнительные признаки изобретения указаны в формуле изобретения.

Краткое описание чертежей

Характеристики и преимущества способа управления динамическими параметрами давления и оценки срока службы камеры сгорания газовой турбины согласно настоящему изобретению станут более понятными из последующего иллюстративного и неограничивающего описания, со ссылкой на прилагаемые схематические чертежи.

Фиг.1 представляет собой схематическое изображение газовой турбины, в которой возможно применить способ управления динамическими параметрами давления и оценки камеры сгорания согласно настоящему изобретению.

Фиг.2 представляет собой диаграмму, на которой показана зависимость между некоторым числом циклов напряжения и некоторой величиной амплитуды.

Фиг.3 представляет собой диаграмму, на которой показаны в сравнении величины амплитуды из диаграммы на фиг.2 и функция, полученная путем аппроксимации этих величин с помощью экспоненциальной регрессии.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения

На фиг.1 представлена схема обычной газовой турбины, содержащей компрессор 10, выполненной с возможностью сжатия воздуха, вводимого через впускной канал 12. Сжатый воздух затем подается в камеру 14 сгорания, в которой он смешивается с газообразным топливом, поступающим из подводящего канала 16. Горение увеличивает температуру, скорость и объем потока газа и, следовательно, энергию, содержащуюся в нем. Данный поток газа направляется через канал 18 по направлению к турбине 20, которая преобразует энергию газа в энергию работы, которая может быть использована для приведения в действие рабочих машин, таких как, например, генератор 22, соединенный с турбиной 20 с помощью вала 24. Турбина 20 также подает энергию, необходимую для приведения в действие компрессора 10, через вал 26, причем выхлопные газы выбрасываются турбиной 20 через выпускной канал 28.

Способ управления динамическими параметрами давления и оценки срока службы камеры 14 сгорания согласно настоящему изобретению предусматривает взаимосвязь между амплитудами напряжения, возникающего при увеличении давления, которое имеет место внутри самой камеры 14 сгорания, и длительностью действия (циклами) указанного напряжения, описываемую известной кривой Велера.

Кривая Велера представляет собой полученный на основе статических измерений график зависимости между максимальной амплитудой усталостного цикла и количеством циклов, которые некоторый материал может вынести до его разрушения, с заданной вероятностью. Он строится путем воссоздания в лабораторных условиях некоторого цикла напряжения с некоторой амплитудой, который прилагается к большому количеству тестовых образцов, и регистрации числа циклов, которые они могут вынести до разрушения. Хотя тестовые образцы подвергаются воздействию одинакового напряжения, они не все разрушаются после одинакового количества циклов, а имеет место дисперсия результатов. Экспериментальные данные показывают, что эта дисперсия имеет нормальное распределение. Аналогичные серии экспериментов затем повторяются при различных значениях амплитуды и для каждого полученного распределения регистрируется среднее значение количества циклов до разрушения.

Кривая, которая соединяет все средние значения при каждой амплитуде напряжения, - это кривая Велера при 50% вероятности разрушения. Это означает, что для протестированных образцов имеется 50% вероятность того, что при воздействии на них цикла напряжения с некоторой амплитудой, они разрушатся до достижения количества циклов, установленного кривой Велера.

Способ согласно изобретению дополнительно предусматривает серию тестов, с использованием одного или более датчиков 30, расположенных в соответствии с камерой 14 сгорания, для непосредственного измерения в режиме реального времени амплитуды колебаний давления внутри самой камеры 14 сгорания. Измерения используются для определения «накопленного напряжения», т.е. количества времени, которое пройдет для каждого существенного уровня амплитуды. Часть усталостного срока службы, которая уже прошла, вычисляется с помощью известной гипотезы Палмгрена-Майнера, которая учитывает все амплитуды и соответствующий каждой расход усталостного срока службы.

Когда накопленное повреждение D, рассматриваемое ниже, превышает некоторую заданную величину, подается команда на выключение турбины и выполняется проверка машины. Таким образом, путем учета вкладов всех амплитуд усталостных циклов может быть получена корректная оценка оставшегося усталостного срока службы.

В работе согласно примеру способа по настоящему изобретению поведение камеры 14 сгорания оценивается при усталостном режиме работы путем построения кривой Велера для некоторого материала, который образует камеру 14 сгорания, и для частоты горения 400 Гц. Устанавливаются четыре точки для четырех различных уровней амплитуды, от минимума к максимуму, что позволяет построить предварительную кривую Велера (фиг.2) на основе следующих данных:

	102 мин		2		2,4×10 6
	45 мин		3		1,08×10 6
Длительность	30 мин	Амплитуда	4	Циклы	7,2×10 5
	2 мин		8		4,8×10 4

Чтобы измерить накопленное повреждение D в камере 14 сгорания во время работы в усталостном режиме, используется гипотеза Палмгрена-Майнера, которая утверждает, что часть повреждения, получаемая на любом уровне напряжения, линейно пропорциональна соотношению между количеством циклов работы и общим количеством циклов, которое может быть предельно выполнено при этом уровне напряжения, т.е.:

,

где D - соответствует накопленному повреждению; N_i - соответствует оставшемуся сроку службы и определяется из кривой Велера; n_i - измеряемая величина, k - количество уровней амплитуды. N_i - это количество циклов, требуемых для достижения разрушения на i-м уровне амплитуды, и n_i - количество циклов, которые прошли при i-м уровне амплитуды.

Величины, представленные на фиг.2, могут быть аппроксимированы с помощью экспоненциальной регрессии значений циклов и амплитуд, как можно увидеть на графике на фиг.3, получая следующую результирующую функцию:

F(x)=6,651·exp(-1,583·10 ^-6·x)+1,839,

Чтобы определить значение N_i, необходимо вычислить обратную функцию, т.е.:

y=6,65l·exp(1,583·10⁶·x)+1,839 solve,

x (631711,93935565382186)·ln(0,15035333032626672681·y-0,27649977447000451060)

g(y)=(631711,93935565382186)·ln(0,15035333032626672681·y-0,276499774470004510 60).

На основании этого формируется вектор, который отражает оставшийся срок службы, в терминах циклов, для рассматриваемых различных амплитуд:

	g{2)		2,351×10 s
	g(3)		1,103×10 6
	g(4)		7,102×10 5
Срок службы=	g(5)	Срок службы=	4,699×105
	g(6)		2,963×10 5
	g(7)	-	1,602×105
	g(8)		4,834×10 4

Оставшийся срок службы камеры 14 сгорания тем самым представлен вектором, состоящим из величин N_i, полученных с помощью гипотезы Палмгрена-Майнера. На данном этапе измерительный прибор измеряет время, которое прошло между двумя последовательными уровнями амплитуды - i и i+1, например равным величинам давления в 2 фунт/кв.дюйм и 3 фунт/кв.дюйм. Измеренный промежуток времени затем принимается соответствующим i-му уровню амплитуды и умножается на 400 Гц, чтобы получить значение n_i на (i+1)-м уровне. Путем деления n_i на N_i и выполнения суммирования в конечном итоге получаем значение накопленного повреждения D.

Для накопленного повреждения D устанавливается пороговое значение, равное 0,1. Когда D превысит пороговое значение, турбина переводится в режим работы с диффузионным горением, т.е. такой режим работы, при котором уровни колебания давления внутри камеры 14 сгорания меньше, но выход загрязняющих выбросов больше.

Согласно предпочтительному варианту осуществления программные средства управления турбины могут напрямую использовать непрерывную функцию g(y) для вычисления оставшегося срока службы, без необходимости дискретизации вектора оставшегося срока службы, выявленного ранее.

Таким образом, можно увидеть, что способ управления динамическими параметрами давления и оценки срока службы камеры сгорания газовой турбины согласно настоящему изобретению достигает ранее обозначенные цели, так как он позволяет провести корректную оценку оставшегося усталостного срока службы камеры сгорания, чтобы увеличить производительность турбины, позволяя специфические защитные действия осуществлять только тогда, когда они точно необходимы.

Способ управления динамическими параметрами давления и оценки срока службы камеры сгорания газовой турбины согласно настоящему изобретению, задуманный таким образом, может в любом случае подвергнуться различным модификациям и изменениям, которые все входят в ту же самую идею изобретения. Объем защиты изобретения поэтому определяется прилагаемой формулой изобретения.