[1]Изобретение относится к области защиты газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в локальных системах управления газотурбинными силовыми установками различного назначения.
[2]Предшествующий уровень техники
[3]Известен патент РФ на изобретение № 2444717, МПК G01M 15/14 (2006.01), «СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ».
[4]Сущность изобретения заключается в том, что дополнительно до начала запуска ГТУ фиксируют температуру газов в камере сгорания (КС) двигателя, в процессе запуска ГТУ фиксируют момент начала подачи топлива к коллекторам КС по срабатыванию концевого выключателя «Клапан останова (КО) открыт», по истечении с момента открытия КО наперед заданного времени, определяемого расчетно-экспериментальным путем, измеренную температуру газов сравнивают с измеренной до начала запуска ГТУ, если разница не превышает наперед заданное значение, определяемое расчетно-экспериментальным путем, формируют сигнал «Прекращение запуска по нерозжигу КС» и выполняют аварийный останов (АО) ГТУ. Технический результат изобретения - повышение качества контроля технического состояния ГТУ и, как следствие, повышение надежности работы ГТУ, ГПА и ГТЭС.
[5]Недостатком предложенного решения является то, что запуск работы контролирующего органа производит оператор, что включает в работу систему управления человеческий фактор, который иногда пагубно влияет на работу автоматических систем (кадровое обеспечение и текучесть кадров, сопротивление нововведениям, вопросы взаимодействия, организационная политика).
[6]Наиболее близким к заявляемому изобретению является патент РФ на изобретение № 2493393, МПК F02C 9/46 (2006.01), «СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГАЗОТУРБИННОЙ СУДОВОЙ УСТАНОВКИ».
[7]Сущность изобретения заключается в том, что дополнительно с помощью автономного блока защиты двигателя (БЗД) ГТУ измеряют частоту вращения силовой турбины ГТУ, обеспечивающей привод судового винта, сравнивают измеренное значение с наперед заданным предельным, определяемым расчетно-экспериментальным путем для каждого типа ГТУ и уточняемым в процессе приемо-сдаточных испытаний ГТУ, при увеличении частоты вращения силовой турбины выше наперед заданного предельного на наперед заданное время с помощью БЗД и стоп-крана прекращают подачу топлива в КС ГТУ, формируют сигнал «Защита по раскрутке силовой турбины» и передают его в систему управления судном. Технический результат изобретения - повышение надежности работы ГТУ и безопасности судна.
[8]Недостатком данного способа является то, что выводы об аварийной ситуации делают исходя из одного показателя, что не всегда верно, а также то, что блок защиты двигателя влияет только на подачу топлива, что не всегда эффективно.
[10]Технической задачей данного изобретения является
[11]• Повышение надежности работы газотурбинной установки (ГТУ).
[12]• Обеспечение контроля аварийной ситуации при отказе основной системы управления ГТУ (автономность БЗД).
[13]• Обеспечение контроля аварийной ситуации по двум параметрам, а именно, частоте вращения и температуре в камере сгорания силовой турбины.
[14]Техническая задача решена за счет того, что автономный блок защиты 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 снабженный автономными часами, блока преобразователей питания, дополнительно снабженный фильтрами помех, блока исполнительных реле, блока интерфейсов ввода-вывода информации и блока контроля и индикации, выполненного с обеспечением возможности ручной проверки работоспособности БЗД. Способ работы автономного блока защиты газотурбинной установки заключается в том, что предварительно стабилизируют питание внутренне либо внешнее. Затем проводят самодиагностику блоков каналов измерения температуры и частоты. Далее отправляют обработанную информацию о самодиагностике в блок контроля и индикации, для индикации неисправности. Затем информацию о самодиагностике передают в блок интерфейсов ввода-вывода информации и далее в блок внешней системы управления. После этого блоки каналов измерения частоты вращения силовой турбины и одновременно блоки каналов измерения температуры в камере сгорания силовой турбины получают аналоговый сигнал с внешних датчиков измерения частоты и температуры ГТУ и после преобразования аналоговых сигналов в цифровые, передают информацию в блок обработки и управления. Далее анализируют полученные данные, сравнивая их с заранее установленными пороговыми значениями и при превышении пороговых значений, передают сигнал в блок исполнительных реле, где формируют аварийный сигнал и передают его в блок механизма останова двигателя блока внешней системы управления. Информацию о срабатывании сохраняют в блоке обработки и управления и при необходимости передают в блок внешней системы управления. БЗД синхронизируют с внешней системой посредством автономных часов блока обработки и управления, для фиксации точного времени срабатывания.
[16]На фиг. 1 представлена функциональная схема блока защиты двигателя газотурбинной установки.
[17]Назначение блока защиты двигателя газотурбинной установки (БЗД) защита ГТУ от аварийной работы при превышении предельно допустимых параметров посредством выдачи сигнала на блок внешней системы управления для останова двигателя.
[18]БЗД 1 включает в себя электронную аппаратуру и специальное программное обеспечение в виде информации, записанной на постоянном запоминающем устройстве блока обработки и управления 5.
[19]БЗД 1 выполнен в виде набора функциональных блоков: как минимум двух блоков каналов измерения температуры 7 и 8 и как минимум четырех блоков каналов измерения частоты 9, 10, 11, и 12 вращения силовой турбины, блока обработки и управления 5, дополнительно снабженный автономными часами (на фиг. не показано), блока преобразователей питания 4, дополнительно снабженный фильтрами помех (на фиг. не показано), блока исполнительных реле 6, блока интерфейсов ввода-вывода информации 2 и блока контроля и индикации 3, выполненного с обеспечением возможности ручной проверки работоспособности. При этом функциональные блоки содержат: светодиоды, микросхемы ввода-вывода, микросхемы интерфейса Ethernet, микросхемы интерфейса RS-485, реле электромагнитные, микроконтроллер с ядром Cortex M7, микросхемы стабилизатора напряжения питания, микросхемы преобразователя питания, микросхемы гальванической развязки, микросхемы оптрон, микросхемы аналого-цифрового преобразователя, микросхемы компаратор.
[20]Электропитание БЗД 1 осуществляют постоянным током напряжением от 21 до 29 В. Мощность, потребляемая БЗД 1: от источника постоянного тока напряжением от 21 до 29 В не более 10Вт, без учёта мощности, потребляемой исполнительными механизмами.
[21]Конструктивно все элементы блока защиты двигателя 1 (БЗД) размещены на одной четырёхслойной печатной плате.
[22]1. Блок канала измерения температуры 7 и 8
[23]Аналоговые блоки каналов измерения температуры 7 и 8 построены на дельта-сигма АЦП и измеряют падение напряжения на шунте – прецизионном резисторе сопротивлением 49,9 Ом с допусками 0,1%. Шунт включается последовательно в цепь с измеряемым током.
[24]Применённые АЦП типа LTC2472 представляют собой малопотребляющие 16-разрядные аналого-цифровые преобразователи со встроенным прецизионным источником опорного напряжения и выбираемой скоростью измерения 208 изм/с или 833 изм/с. Они используют один источник питания 3,3 В и обмениваются данными через SPI (цифровой интерфейс). Каждый блок каналов измерения 7 и 8 имеет гальваническую развязку благодаря применению изоляторов интерфейса типа ADUM5401ARWZ с встроенным DC/DC преобразователем. На входе каждого блока канала измерения температуры 7 и 8, в зависимости от исполнения БЗД 1, могут использоваться искробезопасные барьеры. Барьеры обеспечивают искробезопасность электрических цепей блока, при установке во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок.
[25]2. Блок канала измерения частоты 9, 10, 11, и 12
[26]Аналоговые блоки каналов измерения частоты 9, 10, 11, и 12 построены на высокоскоростном компараторе, преобразующем входные частотные импульсы в импульсы необходимой амплитуды.
[27]Каждый блок канала измерения частоты 9, 10, 11, и 12 для питания имеет гальванически развязанный DC/DC преобразователь. Выходной сигнал компаратора также гальванически развязан с основной схемой через оптрон.
[28]3. Блок обработки и управления 5
[29]Блок обработки и управления 5 построен на основе микросхемы микроконтроллера STM32H743ZI. Микроконтроллер через микросхемы D17, D18 поочерёдно опрашивает АЦП аналоговых измерительных каналов. Данные АЦП преобразуются в микроконтроллере в значения физической величины тока. Также микроконтроллер обрабатывает сигналы четырех каналов частоты, поступающие на входы таймера через оптроны D24, D26, D34, D36. В случае превышении любым контролируемым параметром предельного значения (уставки) контроллер выдает управляющий сигнал в блок исполнительных реле на реле K4 для коммутации цепи управления напряжением 27 В, а также дискретный информационный сигнал, сигнализирующий о срабатывании блока.
[30]Также в блок обработки и управления 5 входит второй микроконтроллер, построенный на микросхеме STM32H743ZI. Он принимает данные от блока микроконтроллера измерительного по интерфейсу SPI. Он преобразует полученные данные в формат Modbus и передает их в блок интерфейсов ввода/вывода информации 2, построенный на микросхеме D3 (преобразователь интерфейсов RS-485) и далее на выходной разъем XP2. Также микроконтроллер выдаёт команды по шине I2C на регистры в блок контроля и индикации 3. К выходам регистров индикации подключены светодиоды, которые осуществляют визуальную индикацию состояния аналоговых и частотных каналов, готовности и срабатывания блока.
[31]Разъём XP1 и XP5 для программирования микроконтроллера через JTAG интерфейс.
[32]4. Блок интерфейсов ввода/вывода информации 2
[33]Блок интерфейсов ввода/вывода информации 2 с ПК состоит из микросхем D3 и D6 - гальванически развязанного преобразователя интерфейса RS-485 и приемо-передатчика Ethernet, осуществляющего синхронизацию времени c инженерным компьютером.
[34]5. Блок преобразователей питания 4
[35]Блок преобразователей питания 4 состоит из DC/DC преобразователей (D7, D8), стабилизаторов напряжения (D9, D10) и обеспечивает питание блока. DC/DC-преобразователи 5 В, обеспечивают гальваническую изоляцию блока от входных цепей 24 В, а микросхемы стабилизаторов формируют напряжения 3,3В постоянного тока для питания микросхем блока.
[36]Способ работы автономного блока защиты двигателя газотурбинной установки
[37]• Предварительно в блоке преобразователей питания 4 преобразовывают и стабилизируют питание внутренне либо внешнее, затем проводят самодиагностику блоков каналов измерения температуры 7 и 8 и частоты 9, 10, 11, и 12, при которой предварительно проводят самодиагностику в каждом блоке канала измерения 7-12,
[38]• затем отправляют информацию об этом в блок обработки и управления5, а далее отправляют обработанную информацию о самодиагностике в блок контроля и индикации 3, для индикации неисправности какого-либо из блоков каналов измерения 7-12,
[39]• затем информацию передают в блок интерфейсов ввода-вывода информации 2 и далее в блок внешней системы управления 14,
[40]• после чего, в как минимум четыре блока каналов измерения частоты 9, 10, 11 и 12 вращения силовой турбины и дополнительно одновременно, в как минимум два блока канала измерения температуры 7 и 8 в камере сгорания силовой турбины получают аналоговый сигнал с внешних датчиков измерения частоты и температуры ГТУ 13,
[41]• после чего, в этих же блоках 7-12 преобразовывают аналоговые сигналы в цифровые,
[42]• затем передают их в блок обработки и управления 5, где анализируют полученные данные, сравнивая их с заранее установленными пороговыми значениями,
[43]• после этого, при превышении пороговых значений, передают сигнал в блок исполнительных реле 6, где формируют аварийный сигнал и передают его в блок механизма останова двигателя (на фиг не показано) блока внешней системы управления 14,
[44]• при этом сохраняют архив информации о срабатывании в блоке обработки и управления 5 и при необходимости передают эти данные в блок внешней системы управления 14 через блок интерфейсов ввода-вывода информации 2, причем БЗД 1 синхронизируют с внешней системой посредством автономных часов (на фиг не показано) блока обработки и управления 5, для фиксации точного времени срабатывания.
[45]Все вышеизложенное говорит о промышленной применимости блока защиты двигателя газотурбинной установки и решении технической задачи, а именно, повышение надежности работы газотурбинной установки (ГТУ), обеспечение контроля аварийной ситуации при отказе основной системы управления ГТУ (автономность БЗД), обеспечение контроля аварийной ситуации по двум параметрам, частоте вращения и температуре в камере сгорания силовой турбины.
[47]1. Блок защиты двигателя (БЗД)
[48]2. Блок интерфейсов ввода/вывода информации
[49]3. Блок контроля и индикации
[50]4. Блок преобразователей питания
[51]5. Блок обработки и управления
[52]6. Блок исполнительных реле
[53]7. Блок канала измерения температуры 1
[54]8. Блок канала измерения температуры 2
[55]9. Блок канала измерения частоты 1
[56]10. Блок канала измерения частоты 2
[57]11. Блок канала измерения частоты 3
[58]12. Блок канала измерения частоты 4
[59]13. Газотурбинная установка (ГТУ)
[60]14. Блок внешней системы управления
