СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕПУСКОМ ВОЗДУХА В КОМПРЕССОРЕ ДВУХВАЛЬНОГО ДВУХКОНТУРНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1997 года по МПК F04D27/02 

Изобретение относится к защите от помпажа компрессоров двухвальных двухконтурных газотурбинных двигателей (ГТД).

Известны способы управления перепуском воздуха в компрессоре путем регулирования клапанов перепуска воздуха (КПВ) из-за различных ступеней компрессора по сигналам, характеризующим параметры, косвенно отражающие положение рабочей точки на характеристике компрессора, либо по сигналам датчиков помпажного или предпомпажного состояний. Например, по способу, описанному в [1] управление КПВ осуществляется по частоте вращения ротора высокого давления (n_ВД), приведенной по полной температуре воздуха на входе в двигатель (T*вх

)
Недостатком известных способов является то, что не во всех случаях открытие клапана перепуска воздуха по сигналам датчика ведет к устранению помпажа на двигателе. В частности, при испытаниях двигателя ПС-90А в стендовых условиях было отмечено следующее: при возникновении помпажа на подпорных ступенях клапаны сработали через 0,3-0,4 с после появления сигнала "помпаж". Однако помпаж устранен не был, он распространился на вентилятор и на компрессор высокого давления (КВД). Поэтому в ряде случаев известные способы не обеспечивают беспомпажную работу подпорных ступеней, что ведет к аварийной работе ГТД.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ управления перепуском воздуха в компрессоре ГТД с целью предупреждения помпажа [2] Этот способ предусматривает измерение частот вращения роторов высокого и низкого давления (n_ВД, n_НД), определение производной n_ВД по времени( ) и формирование сигнала на исполнительный механизм при превышении соответствующих пороговых значений:
по частоте вращения при n_ВД А•n_ВД>В,
по производной где А, В и С константы.

При реализации этого способа на двигателе с КПВ за компрессором среднего давления на одном валу с вентилятором выявлен принципиальный недостаток, делающий применение данного способа практически невозможным. Так, на двигателе ПС-90А при сбросе режима с максимального режима на "малый газ" или любой другой пониженный режим значение почти мгновенно падает ниже порогового значения, и поступает сигнал на открытие КПВ. Как показано на фиг.1, при перемещении рычага управления двигателем (РУД) на пониженный режим одновременно наблюдается уменьшение величины n_ВД, т.е. значение становится отрицательным и сразу же достигает порогового значения при котором формируется соответствующая команда и открываются КПВ. За этим сразу следует "заброс" оборотов (Δnpf,h&вд

) до величины максимальной фактической частоты вращения ротора высокого давления (РВД) n_ВДmax, который не может быть мгновенно парирован регулятором. Этот "заброс" связан с тем, что при одинаковых значениях n_ВД расход топлива в двигателе (G_т) при статических условиях меньше при открытых КПВ, чем при закрытых, что следует из термодинамических особенностей работы двигателей такой схемы. Так регулятор не может мгновенно изменить текущий расход топлива (G_т), то происходит уменьшение его статической величины, т.е. резкое увеличение избытка топлива ΔG_т = G_т-Gcnт что приводит к увеличению в сторону положительных значений и "заброс" n_ВД. Если это происходит на максимальном режиме или вблизи него, то текущее значение n_ВД может достичь величены n_ВДmax, превышающей максимальное программное значение частоты вращения РВД (nghjuh&вдmax) Программная частота вращения это частота вращения, которая задается системой автоматического управления двигателем, как функция угла установки РУД, температуры и давления воздуха на входе в двигатель. Максимальная программная частота вращения (nпрогр.вдmax) это такая программная частота, выше которой величина частот вращения не допускается.

Более того, даже кратковременное повышение n_ВД на 1,5% потребует съема двигателя ПС-90А с эксплуатации для ремонта вследствие недопустимых нагрузок на его детали.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в обеспечении безаварийной и беспомпажной работы двигателя за счет предотвращения увеличения частоты вращения ротора высокого давления n_ВД выше его значения на максимальном режиме (nпрогр.вдmax

) при открытии КПВ.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в известном способе управления перепуском воздуха в компрессоре двухвального двухконтурного газотурбинного двигателя, включающем измерение частоты вращения ротора высокого давления n_ВД, сравнение ее величины с соответствующим пороговым значением и формирование первого сигнала I₁ на открытие клапанов перепуска воздуха (КПВ), определение величины производной по времени частоты вращения ротора сравнение с ее пороговым значением ngjhju&вд

и формирование второго сигнала I₂ на открытие КПВ, согласно изобретению, дополнительно измеряют полную температуру воздуха на входе в двигатель T*вх определяют приведенное значение частоты вращения ротора а формирование сигнала I₁ осуществляют при условии n_вдпр. = ngjhju&вдпр. а также предварительно определяют величину разницы Δnpf,hвд между фактической максимальной частотой n_ВДmax и программной максимальной частотой вращения ротора nghjuh&вдmax непосредственно после открытия КПВ на максимальном режиме, затем формируют третий сигнал I₃ на открытие КПВ при условии, если сумма n_вд + Δnзабр.вд меньше величины ngjhjuвдmax кроме того дополнительно измеряют величину угла установки рычага управления α_руд, сравнивают с соответствующим пороговым значением αgjhju&руд и формируют четвертый сигнал I₄ на открытие КПВ, и при наличии одного из сигналов I₁, I₂ или I₄ и обязательном поступлении третьего сигнала I₃ подают команду на открытие КПВ, а команду на закрытие КПВ подают при одновременном отсутствии сигналов I₁, I₂ и I₄ не зависимо от наличия сигнала I₃.

Невозможность увеличения частоты вращения ротора высокого давления n_ВД выше его значения на максимальном режиме (nghjuh&вдmax

) при открытии КПВ объясняется тем, что согласно предлагаемому способу необходимо постоянно рассчитывать величину суммы n_вд+Δnзабр.в1 для формирования сигнала I₃, используемого в логике выработки команды на открытие-закрытие КПВ.

Выполнение остальных операций способа позволяет обеспечить беспомпажную работу двигателя за счет необходимости сбрасывания газодинамической устойчивости при открытии КПВ.

На фиг.1 представлены следующие зависимости: 1 угла установки рычага управления двигателем (α_руд) от времени τ 2, 3 зависимость частоты вращения ротора высокого давления (n_ВД) от времени t′ соответственно по предлагаемому и известному решениям, 4, 5 зависимость производной частоты вращения от времени τ соответственно по предлагаемому и известному решениям. Из представленных графиков следует, что в предлагаемом решении отсутствует "заброс" n_ВД на величину Δnзабр.вд

относительно первоначальной величины n_ВД; на фиг.2 блок-схема для осуществления способа.

Блок 1 представляет собой дифференциатор, в котором по величине n_ВД определяется ее производная по времени
Блок 2 компаратор, в котором выполняется сравнение текущей величины с ее пороговым значением и при формируется второй сигнал на открытие КПВ I₂ 1, подаваемый на вход блока 6 типа ИЛИ.

Блок 3 это арифметическое устройство, на вход которого поступают сигналы о величине n_ВД и T*вх

по которым определяется приведенная частота вращения ротора высокого давления:

Блок 4 компаратор, выполняющий функцию сравнения величины n_ВДпр. с его пороговым значением ngjhju&вдпр и при соотношении n_вдпр < ngjhjuвдпр. формирующий сигнал на открытие КПВ I₁ 1.

Блок 5 компаратор, выполняющий функцию сравнения текущего значения α_руд с пороговой величиной αgjhju.руд

и при соотношении α_руд < αgjhju&руд формирующий четвертый сигнал на открытие КПВ I₄ 1.

Блок 6 логическое устройство типа ИЛИ, на вход которого поступают сигналы I₁, I₂ и I₄, и которое на выходе формируют сигнал на открытие КПВ, если хотя бы один из поступающих сигналов равен 1, формирует сигнал на закрытие КПВ только при условии равенства нулю всех сигналов.

Блок 7 сумматор, определяющий суммарную величину текущих значений n_ВД и Δn_вд
Блок 8 компаратор, на один вход которого подается сигнал n_ВД, а на другой вход сигнал nghjuh&вдmax

Блок 9 логическое устройства типа "И", на вход которого поступают сигналы с блоков 6 и 8, а выход соединен с управлением КВД.

Блок 10 управляющий переключатель, работающий по сигналу положения КПВ. Если КПВ открыты (I 1), то блок 10 напрямую соединяет выход блока 6 с управлением КВД (пунктирная линия "б" в блоке 10), и команда на закрытие КПВ поступает от блока 6. Если КПВ закрыты (I 0), то блок 10 соединяет выход блока 6 с одним из входов блока 9 (сплошная линия "а" в блоке 10), а команда на открытие КПВ формируется в блоке 9 с учетом сигнала I₃.

Блок 11 управляющий переключатель, работающий по сигналу положения КПВ аналогично блоку 10. Если КПВ открыты (I_КПВ 1), то выход блока 9 разъединен с каналом подачи команды на КПВ, команда на закрытие КПВ поступает с выхода блока 6. Когда КПВ закрыты (I_КПВ 0), то выход блока 9 соединен с каналом подачи команды на КПВ, команда на открытие КПВ поступает с выхода блока 9.

Способ осуществляется следующим образом.

На входы блоков 1, 3 и 7 поступает сигнал, характеризующий частоту вращения ротора высокого давления n_ВД. С блока 1 сигнал, характеризующий величину поступает на вход блока 2, где осуществляется сравнение текущей величины с пороговым значением
При выполнении соотношения на выходе блока 2 формируется сигнал I₂ на открытие КПВ, который поступает на первый вход блока 6 ИЛИ. Сигнал I₁ формируется в блоках 3 и 4. На вход блока 3 дополнительно к сигналу о величине n_ВД подается сигнал, характеризующий полную температуру воздуха на входе в двигатель T*вх

Блок 3 формирует сигнал, характеризующий величину производной по T*вх частоты вращения ротора высокого давления, который подается на вход компаратора 4. Компаратор 4 выполняет сравнение величин n_ВДпр. и ngjhju&вдпр и при выполнении неравенства n_вдпр < ngjhju.вдпр. формируется сигнал I₁ на открытие КПВ, который поступает на второй вход блока 6. По результату сравнения величин α_руд и αgjhju&руд блок 6 формирует сигнал I₄ на открытие КПВ (при выполнении неравенства α_руд < αgjhjuруд ), который поступает на третий вход блока 6. Сигнал, характеризующий величину суммы n_вд+Δn_вд с выхода блока 7 поступает на вход компаратора 8, где осуществляется сравнение этой суммы с максимальным значением программной величины nghjuh&вдmax При выполнении соотношения (n_вд+Δ_вд) < nпрогр.вдmax формируется третий сигнал I₃ на открытие КПВ, который с выхода блока 8 поступает на вход блока 9 "ИЛИ". Формирование команд на открытие и закрытие КПВ выполняется по сигналам блоков 6 и 9 с учетом положения переключателей 10 и 11.

Порядок формирования команд следующий.

1. Команда на закрытие КПВ формируется при увеличении режима, например, с малого газа (МГ) на максимальный (Макс.). На режиме МГ: т.е. I₁=1, I₂=0, I₄=1, блок 6 формирует сигнал на открытие КПВ. По сигналу I_КПВ=1 (КПВ открыты) блок 10 соединяет выход блока 6 с каналом подачи команды на управление (в данном случае закрытие), блок 11 рассоединяет выход блока 9 от канала выдачи команд на КПВ, т.е. команда на закрытие КПВ подается с выхода блока 6.

В процессе увеличения режима работы α_руд > αgjhju.руд

I₄=0, n_вдпр > ngjhjuвдпр I₁=0, I₂=0, т.к. пороговое значение (для двигателя ПС-90А ngjhjuвд = -200 об/мин с ). В блоке 6 формируется команда на закрытие КПВ, I= 0, КПВ закрываются, происходит переключение блоков 10 и 11. Блок 10 соединяет выход блока 6 с одним из входов блока 9, блок 11 подключает выход блока 9 с каналом подачи команд на КПВ. Команда на открытие КПВ поступает с выхода блока 9.

2. Открытие КПВ осуществляется при уменьшении режима работы, например, с режима "Макс" до режима "МГ". На режиме "Макс" α_руд > αgjhjuруд

(I₄=0), n_вдпр > ngjhjuвдпр (I=0), (I₂=0), в блоке 6 формируется команда на закрытие КПВ, сигнал подается на вход блока 9. В связи с тем, что на режиме "Макс" n_вд = nghjuh&вдmax; (n_вд+Δn_вд) > nghjuh&вдmax с выхода блока 8 подается сигнал I= 0 на закрытие КПВ. В соответствии с логикой И на выходе блока 9 формируется команда на закрытие КПВ.

При перемещении РУД с режима "Макс" на "МГ" сразу возникает ситуация α_руд < αпорогруд

при которой формируется сигнал I₄=1 на открытие КПВ. При этом начинается уменьшение режима двигателя, т.е. а значит и I₂= 1. По мере уменьшения режима появляется и сигнал I₁=1. При наличии неравенства хотя бы одного из сигналов I₁, I₂ или I₄ с выхода блока 6 поступает сигнал на открытие КПВ, этот сигнал поступает на один из входов блока 9. Однако, в начале уменьшения режима (величины n_ВД) некоторое время сохраняется ситуация, когда (n_вд+Δn_вд) > nghjuhвдmax и с выхода блока 8 поступает сигнал I=0, пока существует сигнал на входе блока 9, не формируется команда на открытие КПВ. В момент, когда появляется соотношение (n_вд+Δn_вд) ≅ nпрогрвдmax, на выходе блока 8 формируется сигнал I=1, и в блоке 9 формируется команда на открытие КПВ.

Величина Δn_вд выбирается таким образом, чтобы выполнялось соотношение Δn_вд ≥ Δnpf,hв1

т. е. чтобы в момент открытия КПВ всегда выполнялось соотношение n_вд ≅ ngjhju.вдmax
Сравнение зависимостей n_вд = f(τ) для прототипа и предлагаемого решения показано на фиг.2. При использовании данного технического решения "заброса" n_ВД выше его программного значения на максимальном режиме ngjhjuвдmax при открытии КПВ не происходит.

Использование: при защите от помпажа компрессоров двухвального двухконтурного газотурбинного двигателя. Сущность изобретения: команда на закрытие клапанов формируется при увеличении режима, например, с малого газа (МГ) на максимальный (МАКС. ). На режиме МГ I₁ = 1, I₂ = 0, I₄ = 1 и блок 6 ИЛИ формирует сигнал на открытие клапана перепуска воздуха КПВ согласно логике его работы. КПВ открыты (I_КПВ = 1), и выход блока 6 напрямую соединен с управлением КПВ - по сигналу I_КПВ = 1 выход блока 6 соединяется с управлением КПВ и выход блока 9 отсоединяется от управления КПВ с помощью переключателя 11. По мере увеличения режима 1 изменяется на 0, выполняется условия I₁ = I₂ = I₄ = 0, и КПВ закрываются. По сигналу закрытия КПВ (I_КПВ = 0) управление осуществляется через блок 9. Выход блока 6 соединяется с одним из входов блока 9, а сигнал на открытие поступает с выхода блока 9, подключенного к управлению КПВ с помощью блока 11 по сигналу I_КПВ = 0. Когда h_В1 уменьшится на величину Δn_ВДn_вд от исходной, то формируется команда на открытие КПВ. На режиме МАКС. I₁ = I₂ = 1₄ = 0, КПВ закрыты, переключатель 10 обеспечивает управление КПВ от блока 9. При перемещении α_руд с МАКС. На МГ появляется сигнал I₃ = 1 и блок 6 формирует сигнал на открытие КПВ. При этом начинается уменьшение режима, появляется сигнал I₃ = 1, формируется команда на открытие КПВ, и открытие осуществится по команде блока 9, подключенного с помощью блока 11 по команде I_КПВ = 0. 2 ил.

Способ управления перепуском воздуха в компрессоре двухвального двухконтурного газотурбинного двигателя, включающий измерение частоты вращения ротора высокого давления n_в.д, сравнение ее величины с соответствующим пороговым значением nпорогв.д

и формирование первого сигнала I₁ на открытие клапанов перепуска воздуха, определение величины производной по времени частоты вращения ротора сравнение с ее пороговым значением и формирование второго сигнала I₂ на открытие клапана перепуска воздуха, отличающийся тем, что дополнительно измеряют полную температуру воздуха на входе в двигатель T*вх, определяют приведенное значение частоты вращения ротора а формирование сигнала I₁ осуществляют при условии n_в.дпр < ngjhjuв.дпр а также предварительно определяют величину разницы Δnpf,hв.д между фактической максимальной частотой n_в.дmax и программной максимальной частотой вращения ротора nпрогрв.дmax непосредственно после открытия клапана перепуска воздуха на максимальном режиме, затем формируют третий сигнал I₃ на открытие клапана перепуска воздуха при условии, если сумма n_в.д+ Δnзабрв.д меньше величины ngjhjuв.дmax, кроме того, дополнительно измеряют величину угла установки рычага управления α_руд, сравнивают с соответствующим пороговым значением αgjhjuруд и формируют четвертый сигнал I₄ на открытие клапана перепуска воздуха и при наличии одного из сигналов I₁, I₂ или I₄ и обязательном поступлении третьего сигнала I₃ подают команду на открытие клапана перепуска воздуха, а команду на закрытие клапана перепуска воздуха подают при одновременном отсутствии сигналов I₁, I₂ и I₄ независимо от наличия сигнала I₃.