СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С РЕГУЛИРУЕМЫМ СОПЛОВЫМ АППАРАТОМ ТУРБИНЫ Российский патент 1995 года по МПК F02C9/22 

Изобретение относится к турбостроению и может быть использовано в автомобильных газотурбинных двигателях.

Известна система регулирования газотурбинных двигателей, содержащая регулируемый сопловой аппарат (РСА) турбины, регулятор частоты вращения турбокомпрессора, электронный блок управления положением лопаток РСА и величиной расхода топлива. Такая система путем изменения положения лопаток РСА по сигналу частоты вращения турбокомпрессора на частичных режимах регулирует температуру газа в проточной части турбины [1].

Недостатком этой системы, как и любой системы регулирования по косвенному параметру, является недостаточно точное регулирование температуры газа по режиму работы двигателя.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является транспортный газотурбинный двигатель с системой управления и регулирования, содержащий регулируемый сопловой аппарат с поворотными лопатками, электронный блок управления, на входы которого поступают сигналы от датчиков температуры газа на входе в направляющий аппарат турбины и отклонения положения лопаток регулируемого соплового аппарата от заданного, а на выходе которого формируется сигнал, управляющий работой электромагнита привода поворотных лопаток [2].

Недостатком известного устройства является следующее. Надежная работа регулируемого соплового аппарата требует наличия радиальных зазоров между торцами поворотных лопаток и наружным и внутренним обводами проточной части. Требуемая величина этих зазоров тем больше, чем больше возможная при работе двигателя деформация наружного и внутреннего обводов проточной части. Вместе с тем наличие радиальных зазоров в регулируемом сопловом аппарате уменьшает эффективность турбины, а малая величина зазоров снижает ее надежность. Причем, в зависимости от профилирования соплового аппарата большее влияние на уменьшение эффективности турбины могут оказывать радиальные зазоры либо у корня, либо у периферии лопаток. Таким образом, отсутствие регулирования радиальных зазоров между поворотными лопатками РСА и одним из его обводов, а также отсутствие регулирования суммарных радиальных зазоров между лопатками и обводами проточной части, снижает эффективность и надежность турбины известного устройства.

Целью изобретения является повышение эффективности и надежности турбины с регулируемым сопловым аппаратом.

Указанная цель достигается тем, что в системе регулирования газотурбинного двигателя с регулируемым сопловым аппаратом турбины, содержащей регулирующие температуру газа поворотные сопловые лопатки, установленные в корпусе, к которому примыкают наружный и внутренний обводы проточной части, последовательно подключенные термопару-датчик измерения температуры газа, усилитель с регулятором коэффициента усиления и механизм поворота лопаток, последние установлены в корпусе с возможностью управляемого продольного перемещения вдоль своих осей, система регулирования дополнительно содержит датчики величины радиальных зазоров между торцами каждой лопатки и наружным и внутренним обводами, усилители и привода продольного перемещения каждой лопатки, сумматоры, блок сравнения сигналов и задатчик минимального суммарного зазора, причем каждый датчик зазора между торцом лопатки и одним из обводов и каждый усилитель последовательно подключены к приводу продольного перемещения своей лопатки, а каждая пара датчиков всех лопаток подключена к входам своих сумматоров, выходы которых параллельно задатчику минимального сумматорного зазора, подключены к входам блока сравнения, выход которого подключен к входу регулятора коэффициента усиления усилителя поворота лопаток.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая система регулирования отличается тем, что лопатки РСА установлены с возможностью управляемого продольного перемещения вдоль своих осей, а также наличием датчиков величины радиальных зазоров между торцами каждой лопатки и наружным и внутренним обводами, усилителей и приводов продольного перемещения каждой лопатки, сумматоров, блока сравнения сигналов и задатчика минимального суммарного зазора и их связями с остальными элементами схемы.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "Новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что использованные в системе регулирования элементы и блоки широко известны.

Однако при их введении в указанной связи с механизмами продольного перемещения и поворота лопаток регулируемого соплового аппарата турбина приобретает новые свойства, которые приводят к повышению ее эффективности и надежности. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отлиия".

На чертеже показана схема системы регулирования газотурбинного двигателя с регулируемым сопловым аппаратом турбины.

Устройство содержит регулируемый сопловой аппарат с поворотными сопловыми лопатками 1, которые установлены в корпусе 2 с примыкающими к нему наружным 3 и внутренним 4 обводами проточной части, и механизм поворота лопаток 5, к которому последовательно подключены термопара-датчик измерения температуры газа 6 и усилитель 7 с регулятором коэффициента усиления 8. Все лопатки РСА установлены в корпусе 2 с возможностью продольного управляемого перемещения вдоль своих осей и каждая лопатка соединена со своим приводом продольного перемещения 9. К каждому приводу 9 лопатки последовательно подключены датчик радиального зазора 10 между торцом этой же лопатки и внутренним обводом 4 проточной части и свой усилитель 11. Кроме этого, каждая пара датчиков 10 и 12 величин радиальных зазоров между торцами одной лопатки и обводами проточной части подключена к входам своего сумматора 13, а все сумматоры параллельно между собой и параллельно задатчику минимального суммарного зазора 14 подключены к входам блока сравнения 15. Выход блока 15 подключен к входу регулятора коэффициента усиления 8.

Система регулирования работает следующим образом.

При работе двигателя сигналы от каждого из датчиков 10 поступают в свои усилители 11, которые формируют сигналы, прямо пропорциональные величине минимального радиального зазора между торцами лопаток 1 и внутренним обводом 4 проточной части. Сигналы от каждого усилителя 11 поступают на приводы продольного перемещения 9, которые перемещают свои лопатки, устанавливая минимальный зазор между торцом каждой лопатки 1 и внутренним обводом 4 проточной части. Одновременно сигналы с датчиков 10 и 12 попарно от каждой лопатки поступают в свои сумматоры 13, которые формируют сигналы прямо пропорциональные суммарной величине зазора между торцами этой лопатки и обводами проточной части. В блоке сравнения 15 сигналы от сумматоров 13 сравниваются с сигналом от задатчика минимального суммарного зазора 14 и, при наличии хотя бы одного из сигналов от сумматоров с меньшим значением, чем сигнал от задатчика, блок сравнения формирует сигнал управления, поступающий на вход регулятора коэффициента усиления 8. Система регулирования двигателя, как и в прототипе, устанавливая новое положение поворотных лопаток РСА, уменьшает температуру газа перед турбиной. При этом уменьшаются тепловые потоки, поступающие в обводы, и, следовательно, в них уменьшаются градиенты температур и уменьшается их деформация. Уменьшение деформации обводов приводит к увеличению суммарных зазоров между обводами и торцами тех лопаток, которые явились причиной формирования управляющего сигнала, устанавливая значение минимального суммарного зазора равное значению, задаваемому сигналом задатчика.

Таким образом, в целом система регулирования устанавливает минимально допустимые зазоры между торцами всех лопаток и внутренним обводом и устанавливает минимально допустимый суммарный радиальный зазор между торцами одной из лопаток и обводами при больших или таких же значениях других суммарных радиальных зазоров.

Обеспечение высокой эффективности работы турбины с регулируемым сопловым аппаратом турбины требует поддержания как можно меньших значений радиальных зазоров между торцами поворотных лопаток РСА и его обводами. Причем, в зависимости от профилирования сопловых лопаток, большее влияние на эффективность турбины может оказывать зазор либо у корня либо на периферии лопатки. Предложенная система регулирования позволяет устанавливать минимальный радиальный зазор между всеми лопатками и любым из обводов, а также минимальный суммарный зазор между лопатками и обоими обводами. Это повышает эффективность турбины.

Кроме этого, контроль за установкой минимальных радиальных зазоров в РСА позволяет предотвратить задевания торцов поворотных лопаток о наружный и внутренний обводы проточной части и предотвращает заклинивание лопаток. Это увеличивает надежность и ресурс турбины.

Использование: турбостроение, а именно в автомобильных газотурбинных двигателях. Сущность изобретения: с каждого из датчиков 10 поступают сигналы в свои усилители 11, которые формируют сигналы, прямо пропорциональные величине радиального зазора между торцами каждой лопатки 1 и внутренним обводом, а сигналы с каждого усилителя 11 поступают на приводы продольного перемещения 9. Одновременно сигналы с датчиков 10 и 12 попарно от каждой лопатки поступают в свои сумматоры 13. В блоке сравнения 15 сигналы от сумматоров 13 сравниваются с сигналом от задатчика минимального суммарного зазора 14 и при наличии хотя бы одного из сигналов с меньшим значением, чем сигнал от задатчика, блок сравнения формирует сигнал на изменения режима двигателя лопатки, тем самым понижая темпуратуру в проточной части. 1 ил.

СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С РЕГУЛИРУЕМЫМ СОПЛОВЫМ АППАРАТОМ ТУРБИНЫ, содержащая регулирующие температуру газа поворотные сопловые лопатки, установленные в корпусе, имеющем наружный и внутренний обводы проточной части и последовательно подключенные термопару - датчик измерения температуры газа, усилитель с регулятором коэффициента усиления и механизм поворота лопаток, отличающаяся тем, что лопатки установлены в корпусе с возможностью управляемого продольного перемещения вдоль своих осей, а система содержит датчик величины радиальных зазоров между торцами каждой лопатки и наружным и внутренним обводами, усилители и приводы продольного перемещения каждой лопатки, сумматоры, блок сравнения сигналов, задатчик минимального суммарного зазора, причем каждый датчик зазора между торцом лопатки и одним из обводов и каждый усилитель последовательно подключен к приводу продольного перемещения своей лопатки, а каждая пара датчиков всех лопаток подключена к входам своих сумматоров, выходы которых параллельно задатчику минимального суммарного зазора подключены к входам блока сравнения, выход которого подключен к входу регулятора коэффициента усиления усилителя поворота лопаток.