СПОСОБ ЗАЩИТЫ ТУРБОКОМПРЕССОРА ОТ ПОМПАЖА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F04D27/02 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в системах защиты газотурбинных двигателей от помпажа.

Известны способ защиты турбокомпрессора от помпажа и устройства для его осуществления. Известный способ осуществляется путем измерения давления воздуха за компрессором, определения скорости его изменения, сравнения с пороговым значением, задержки сигнала на заранее определенное время и использования его в качестве первого параметра защиты, измерения второго параметра турбокомпрессора, сравнения с пороговым значением и формирования сигнала наличия помпажа в систему защиты в случае одновременного поступления сигналов, соответствующих первому и второму параметрам турбокомпрессора. Известное устройство содержит датчик давления воздуха за компрессором, выход которого соединен через дифференциатор, пороговый элемент и элемент задержки с первым элементом И, вторые дифференциатор и пороговый элемент.

Недостатками способа и устройства являются низкая надежность распознавания помпажа, обусловленные одновременным отсутствием контроля тяги.

Целью изобретения является повышение надежности.

Поставленная цель достигается способом защиты турбокомпрессора от помпажа путем измерения давления воздуха за компрессором и давления воздуха за первой группой ступеней компрессора и подачи сигнала на клапан перепуска воздуха за компрессором, в котором измеряют давление газа на срезе реактивного сопла и формируют сигналы наличия помпажа в случае превышения пороговым значением суммы значений давления воздуха за компрессором, давления воздуха за первой группой ступеней компрессора и давления газа на срезе реактивного сопла или в случае превышения порогового значения задержанным на определенное время значением сигнала скорости изменения давления воздуха за компрессором.

Поставленная цель достигается также устройством, осуществляющим указанный способ, содержащим датчик давления воздуха за компрессором и последовательно соединенные с ним сумматор и второе пороговое устройство, а также датчик давления воздуха за первой группой ступеней компрессора, выход которого связан с вторым входом сумматора, в которое дополнительно введены дифференциатор и последовательно соединенные с ним элемент задержки, первое пороговое устройство и схема ИЛИ, второй вход которой связан с выходом второго порогового устройства, а также датчик давления газа на срезе реактивного сопла, выход которого связан с третьим входом сумматора, причем выход датчика давления воздуха за компрессором связан со входом дифференциатора.

На фиг. 1 и 2а, б, в представлены структурная схема устройства и его графики.

Устройство содержит датчик 1 давления воздуха за первой группой ступеней компрессора Р₂^(I), датчик 2 давления газа на срезе реактивного сопла (Р_с), датчик 3 давления воздуха за компрессором Р₂, дифференциатор 4, элемент 5 задержки, первое пороговое 6 устройство, сумматор 7, второе пороговое устройство 8, схему ИЛИ 9.

Устройство в статическом состоянии.

Датчик давления воздуха за первой группой ступеней компрессора Р₂^(I) 1 последовательно связан с сумматором 7, вторым пороговым устройством 8 и схемой ИЛИ 9. Датчик давления воздуха за компрессором Р₂ 3 последовательно связан с дифференциатором 4, элементом задержки 5, первым пороговым устройством 6 и схемой ИЛИ 9. Выход датчика давления газа на срезе реактивного сопла Р_с 2 и второй выход датчика давления воздуха за компрессором Р₂ 3 связаны соответственно с вторым и третьим входами сумматора 7.

Способ осуществляется следующим образом.

Сумматор 7 суммирует значения сигналов, поступающих с выходов датчика давления воздуха за первой группой ступеней компрессора Р₂^(I) 1, датчика давления газа на срезе реактивного сопла Р_с 2 и датчика давления воздуха за компрессором Р₂ 3. Далее с выхода сумматора 7 сигнал поступает во второе пороговое устройство 8, где сравнивается с его пороговым значением. Если пороговое значение второго порогового устройства 8 больше этого сигнала, то с выхода последнего выдается сигнал на схему ИЛИ 9.

Дифференциатор 4 дифференцирует значения сигнала, поступающего с выхода датчика давления воздуха за компрессором Р₂ 3. Далее сигнал поступает на вход элемента задержки 5, где он задерживается на определенный промежуток времени, так как даже при частичном помпажном срыве давление Р₂ более резко меняется, чем остальные параметры авиадвигателя, т.е. время изменения параметров уравнивается для уменьшения вероятности ложных срабатываний о помпаже.

В первом пороговом устройстве 6 сигнал, поступающий с выхода элемента задержки 5, сравнивается с его пороговым значением. Если пороговое значение первого порогового устройства 6 меньше этого сигнала, то с выхода последнего выдается сигнал на схему ИЛИ 9. Если на входе схемы ИЛИ 9 появится хотя бы один сигнал, то с ее выхода выдается сигнал на клапан перепуска воздуха за компрессором для устранения помпажного срыва.

Одним из важных параметров авиадвигателя является его тяга R.

Очевидно, что при появлении помпажных процессов тяга R будет значительно уменьшаться, поэтому ее можно использовать в качестве критерия устойчивости.

Известно, что составляющей величины тяги R является полный импульс потока I_c=C_тсС_с+С_т2^(I)C₂^(I)+C_т2С₂, где С_с, С₂, С₂^(I) скорости потока соответственно на срезе реактивного сопла, за компрессором и за его первой группой ступеней (этим самым учитывается один из наиважнейших выводов, т.е. в процессе появления и развития помпажа основную роль играет обмен энергией между группами ступеней компрессора); С_тс, С_т2, С_т2^(I) массовый расход газа в реактивном сопле, массовый расход воздуха за компрессором и его первой группой ступеней.

После преобразований массовых расходов
G_тc= Q_cρ_c= S_cC_c· S ·
G₂= Q₂ρ₂= S₂C₂· S ·
GI2

QI2ρI2 SI2C S
где Q_c, ρ_c, S_c, T_c объемный расход газа, плотность, площадь сечения, давление и температура на срезе реактивного сопла соответственно; Q₂, ρ₂, S₂, P₂, T₂ то же, но для компрессора; Q₂^(I), ρ₂^(I), S₂^(I), P₂^(I), T₂^(I) то же, но для выхода из первой группы ступеней компрессора: k и R₁ коэффициент адиабаты и газовая постоянная соответственно.

Таким образом, импульсы равны
C_cS · μ₁P_c
C₂S · μ₂P₂
CI2

S · μ₃PI2 где
μ₁= S
μ₂= S
μ₃= S
Cледовательно, полный импульс равен
I_c= μ₁P_c+ μ₂P₂+ μ₃P₃^(I) Cравнение его с порогом позволяет записать изобретение, т.е.

P₂≥С_пор.1,
μ₁P_c+ μ₂P₂+ μ₃P₃^(I)≥ С_пор.2, где С_пор.1, С_пор.2 заранее заданные пороговые значения. Причем канал Р₂ введен с элементом задержки, так как Р₂ быстрее меняется при помпаже, чем остальные параметры (см. фиг. 2а, б и в).

Эффект распознавания помпажа заключается в вычислении и контроле тяги двигателя (в виде суммы параметров Р₂, Р₂^(I) и Р_с) и одновременном контроле "задержанного" значения сигнала Р₂, так как изменение последнего более значительно, чем остальных параметров. Причем с порогом сравнивается скорость изменения dP₂/dt, исключая вероятность ложного срабатывания (возможные малые колебания давления, которые всегда имеют место) о помпажных явлениях.

По сравнению с прототипом способы и устройство обладают более высокой точностью распознавания помпажа. Устройство не требует создания уникальной аппаратуры, может быть выполнено на базе обычных серийных элементов. Увеличение числа элементов ведет к незначительному увеличению стоимости устройства. Экономический эффект от использования изобретения достигается за счет увеличения ресурса силовой установки.

Использование: в двигателестроении, в частности в системах защиты газотурбинного двигателя от помпажа. Сущность изобретения: дополнительно измеряют давление воздуха за первой группой ступеней компрессора и давление газа на срезе реактивного сопла и формируют сигналы наличия помпажа в случае превышения пороговым значением суммы значений давления воздуха за компрессором, давления воздуха за первой группой ступеней компрессора и давления газа на срезе реактивного сопла или в случае превышения порогового значения задержанным на определенное время значением сигнала скорости изменения давления воздуха за компрессором. Устройство, реализующее способ, дополнительно содержит датчики давления воздуха за первой группой ступеней компрессора и газа на срезе реактивного сопла и сумматор. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ защиты турбокомпрессора от помпажа путем измерения давления воздуха за компрессором, определения скорости его изменения, сравнения с пороговым значением, задержки сигнала на заранее определенное время и использования его в качестве первого параметра защиты, измерения второго параметра турбокомпрессора, сравнения с пороговым значением и формирования сигнала наличия помпажа в систему защиты в случае одновременного поступления сигналов, соответствующих первому и второму параметрам турбокомпрессора, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, измеряют давление воздуха за первой группой ступеней компрессора и давление газа на срезе реактивного сопла, определяют скорости их изменений, сравнивают с пороговыми значениями и формируют сигнал, соответствующий второму параметру турбокомпрессора, в случае превышения скоростями изменения давления воздуха за первой группой ступени компрессора и давления газа на срезе реактивного сопла соответствующих пороговых значений. 2. Устройство защиты турбокомпрессора от помпажа, содержащее датчик давления воздуха за компрессором, выход которого соединен через дифференциатор, пороговый элемент и элемент задержки с первым элементом И, вторые дифференциатор и пороговый элемент, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности, оно содержит датчик давления воздуха за первой группой ступеней компрессора, датчик давления газа на срезе реактивного сопла, сумматор, третьи дифференциатор и пороговый элемент и второй элемент И, причем выходы всех датчиков давления подсоединены к сумматору, выход которого через первый пороговый элемент подсоединен к элементу ИЛИ, к второму входу которого подсоединен выход второго порогового элемента, вход которого через элемент задержки связан с выходом дифференциатора.