УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПЕРЕПУСКА ВОЗДУХА ИЗ КОМПРЕССОРА ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1999 года по МПК F04D27/02 

Изобретение относится к области автоматического регулирования газотурбинных двигателей, в частности, к устройствам, обеспечивающим устойчивую работу вспомогательных силовых установок (ВСУ) летательных аппаратов при изменении количества отбираемого воздуха потребителем.

Известно устройство для защиты ВСУ от помпажа при изменении расхода воздуха, отбираемого потребителем, путем регулирования расхода перепускаемого воздуха, содержащее мерное устройство, например "трубу Вентури", вход и узкое сечение которой соединены со сравнивающим устройством, струйный усилитель, входные каналы которого соединены со сравнивающим устройством, а выходные - с полостями пневмопривода клапана перепуска воздуха (см. Вспомогательный газотурбинный двигатель ВСУ-10. Руководство по технической эксплуатации 20.00.020, РЭ2, раздел 49.51.10. Управление приводным компрессором. Описание и работа, 1983 г.) Это устройство обеспечивает устойчивую работу только ВСУ, у которой запуск осуществляется с открытым клапаном перепуска воздуха (КПВ) и не может быть применено на силовых установках, в которых процесс осуществляется с закрытым КПВ, что необходимо, например, для исключения "зависания" на запуске и сокращения времени запуска ВСУ с переразмеренным центробежным компрессором.

Известно также устройство для регулирования перепуска воздуха из компрессора вспомогательной силовой установки (см. а.с. СССР N 1580914, F 04 D 27/00, 1990 г.), содержащее клапан перепуска воздуха, снабженный пневмоприводом, и струйный блок управления, включающий профилированное сопло с регулируемым дросселем, вход сопла сообщен с каналом замера полного давления в мерном устройстве, выход - с источником низкого давления, узкое сечение - с одним из управляющих каналов логического струйного элемента, другой канал логического струйного элемента соединен с источником низкого давления, один из выходных каналов его - с соплом питания, а другой - с одной из полостей пневмопривода через выходной канал струйного усилителя, задатчик отношения абсолютных давлений, входной канал которого сообщен с каналом замера статического давления в мерном устройстве, выход - с входным каналом сравнивающего устройства, другой входной канал которого соединен с каналом замера статического давления в мерном устройстве, а выходные каналы - с управляющими каналами струйного усилителя, выходы которого соединены с управляющими каналами привода КПВ.

Указанное устройство обеспечивает запуск ВСУ с закрытым клапаном перепуска, однако разблокировка КПВ происходит при сравнительно высокой степени повышения давления воздуха в компрессоре, не ниже 1,8-2,0, что обусловлено газодинамическими свойствами профилированного сопла, использованного в устройстве в качестве датчика, не обеспечивающего при меньших отношениях давлений заданной характеристики выходного сигнала.

При управлении малоразмерной высокооборотной вспомогательной силовой установкой, имеющей низкую газодинамическую устойчивость, для обеспечения беспомпажного запуска необходимо, чтобы разблокировка клапана перепуска воздуха происходила при степени повышения давления воздуха в компрессоре 1,3-1,6. Известные устройства не обеспечивают заданной программы управления КПВ вспомогательной установки на таких режимах, что приводит к возникновению в компрессоре ВСУ помпажных явлений, при которых в лопаточном аппарате компрессора происходит устойчивый периодический срыв потока. Возникновение помпажных явлений в компрессоре может вызвать усталостное разрушение лопаток и выход ВСУ из строя.

Задачей предложенного устройства является разблокировка КПВ из закрытого состояния на разгоне двигателя на более низких значениях степени повышения давления в компрессоре двигателя и предотвращение возникновения помпажных явлений в компрессоре.

Решение указанной задачи обеспечивается тем, что в устройство для регулирования перепуска воздуха из компрессора вспомогательной силовой установки, содержащем КПВ с пневмоприводом и струйный блок управления, снабженный струйным усилителем с соплом питания, управляющими и выходными каналами, логическим струйным элементом, профилированным соплом, элементом сравнения с задатчиком отношения давлений, входной канал которого сообщен с каналом замера полного давления, а выходной - с одним из входных каналов элемента сравнения, другой входной канал которого соединен с каналом замера статического давления в мерном устройстве, выходные каналы - с управляющими каналами струйного усилителя, выходные каналы которого соединены с управляющими полостями пневмопривода, сопло питания соединено с одним из выходных каналов логического струйного элемента, другой выходной канал которого - с одной из полостей пневмопривода, а один из управляющих каналов логического элемента - с узкой частью профилированного сопла, другой - с источником низкого давления, в логическом струйном элементе между выходными каналами введен дополнительный канал, соединенный через дроссель с управляющим каналом логического струйного элемента, соединенного с узким сечением профилированного сопла.

Выходной канал логического струйного элемента может быть соединен с одной из полостей пневмопривода через управляющий канал струйного усилителя.

Введение дополнительного канала в логическом струйном элементе, расположенного между выходными каналами этого элемента и соединенного через дроссель с управляющим каналом логического струйного элемента, обеспечивает коррекцию сигнала в управляющем канале по давлению воздуха перед мерным устройством, при этом в процессе запуска и разгона двигателя до степени повышения давления в компрессоре 1,3 - 1,6 клапан перепуска закрыт, что исключает "зависание" двигателя на запуске и разгоне и сокращается время запуска, а при достижении заданной степени повышения давления, например, 1,3, открывается и предотвращает возможность возникновения помпажных явлений в компрессоре.

После выхода ВСУ на расчетный режим предлагаемое устройство обеспечивает постоянный расход отбираемого от ВСУ воздуха, и тем самым, устойчивую работу компрессора при изменении расхода воздуха, отбираемого от ВСУ потребителем.

На фиг. 1 показана схема устройства для регулирования расхода воздуха из компрессора ВСУ; на фиг.2 - статическая характеристика этого устройства; на фиг. 3 - характеристика центрального канала логического элемента.

Устройство содержит (фиг.1) клапан перепуска воздуха с пневмоприводом 2, поршнем 3 и струйным блоком 4 управления клапаном 1 перепуска воздуха. Струйный блок 4 содержит струйный двухкаскадный усилитель 5 с соплом питания 6, управляющими каналами 7, 8, 9 и выходными каналами 10 и 11, элемент сравнения 12, один входной канал 13 которого сообщен с каналом замера статического давления Р_ст в мерном устройстве 14, а другой входной канал 15 - через регулируемый дроссель 16 задатчика отношения давлений с каналом замера полного давления P_к в мерном устройстве 14. Выходные каналы 17 и 18 элемента сравнения 12 подключены к управляющим каналам 7 и 8 струйного усилителя 5, сопло питания 6 которого соединено с первым выходным каналом 19 логического элемента 20, а второй выходной канал 21 подключен к управляющему каналу 9 струйного усилителя 5. Управляющий канал 25 логического струйного элемента 20 соединен с узким сечением профилированного сопла 24, другой управляющий канал - с источником низкого давления, дополнительный канал 22, расположенный между выходными каналами 19 и 21, через дроссель 23 соединен с управляющим каналом 25 и узкой частью профилированного сопла 24.

Вход профилированного сопла 24 и сопло питания 27 струйного логического элемента 20 через регулировочный дроссель 28 соединены с каналом замера полного давления P_к. Выход сопла 24 сообщается с источником низкого давления P_н.

Выходные каналы 10 и 11 струйного блока 4 соединены, соответственно, с полостями 29 и 30 пневмопривода 2 клапана перепуска 1.

Устройство для регулирования перепуска воздуха работает следующим образом.

В процессе запуска вспомогательной силовой установки воздух под давлением P_к поступает к мерному устройству 14, откуда отбирается на питание элемента второго каскада струйного усилителя 5, а также через регулируемый дроссель 16 и канал 15 элемента сравнения 12 и через регулируемый дроссель 28 на вход профилированного сопла 24 и к соплу питания 27 струйного логического элемент 20.

При запуске и на низких режимах работы компрессора, как видно из фиг.2, когда степень повышения давления P_к/P_н ниже заданного значения (P_к/P_н)о, в узком сечении профилированного сопла 24 формируется пневматический сигнал с давлением P₂, которое по величине меньше давления P_н, этот сигнал от профилированного сопла 24 поступает в канал 25, куда одновременно подается корректирующий сигнал с давлением P_с из канала 22 логического элемента 20. Корректирующий сигнал P_с, как видно из фиг.3, пропорционален давлению P_к. Дроссель 23 обеспечивает формирование управляющего сигнала P_у=P₂+P_с (см. фиг.2) по величине больше P₂, но меньше P_н.

При P_у < P_н струя воздуха, вытекающая из сопла питания 27 струйного логического элемента 20, отклоняется к выходному каналу 21, соединенному с управляющим каналом 9 струйного усилителя 5 и формирует в этом канале сигнал с давлением P_з > P_н, направленный на блокировку клапана 1 перепуска воздуха в закрытом положении. Одновременно, во втором выходном канале 19 логического элемента 20, соединенного с соплом питания 6 элемента первого каскада струйного усилителя 5, устанавливается давление равное P_н, вследствие чего первый каскад струйного усилителя 5 "обесточен" и не реагирует на сигналы, формируемые в выходных каналах 17 и 18 элемента сравнения 12, подключенных к управляющим каналам 7 и 8 усилителя 5.

Клапан 1 перепуска воздуха будет заблокирован в закрытом положении при запуске и работе ВСУ на режимах с отношением P_к/P_н меньше заданного значения (P_к/P_н)о - степени повышения давления, при котором устройство переходит на регулирование приведенного расхода.

Заданное значение (P_к/P_н)о устанавливается регулировочным элементом 28, который одновременно смещает точку настройки профилированного сопла 24 и характеристику дополнительного канала 22 логического элемента 20. Синхронное изменение этих параметров устраняет расслоение при широком диапазоне изменения давления P_н сработки узла блокировки КПВ.

При запуске и разгоне силовой установки с ростом P_к растет и P_у=P₂+P_с в управляющем канале 25 логического элемента 20 и при отношении P_к/P_н=(P_к/P_н)о становится равным P_н, а затем и выше его значения (см. фиг. 2), и логический струйный элемент 20 переключается, при этом давление в канале 21 и подключенном к нему управляющем канале 9 струйного усилителя 5 падает до P_н, и клапан 1 перепуска воздуха разблокируется. Одновременно через выходной канал 19 в сопло питания 6 струйного усилителя 5 поступает воздух с давлением P₄ - струйный элемент первого каскада усилителя 5 включается и обеспечивает работу клапана перепуска воздуха по сигналам, формируемым элементом сравнения 12, при этом устройство переходит на режим регулирования постоянного отношения давлений на мерном устройство - режим поддержания постоянного приведенного расхода воздуха, отбираемого от ВСУ.

Постоянство приведенного расхода достигается поддержанием неизменным отношения давлений K_в=P_ст/P_к=const на мерном устройстве 14. На режиме регулирования воздуха с давлением P_к от мерного устройства 14 подается на вход регулировочного элемента 28, настроенного на отношение P₅/P_к=K_в.

С выхода регулировочного элемента 16 воздух с давлением P₅ по каналу 15 поступает в элемент сравнения 12, в котором давление P₅ сравнивается с давлением P_ст, подводимым по каналу 13 от мерного устройства 14. На выходе элемента сравнения 12 в каналах 17 и 18 формируется пневматический сигнал пропорциональный перепаду давления Δ P_упр=P_ст-P₅, который усиливается струйным усилителем 5 и поступает в полости 29 и 30 пневмопривода 2 управления клапаном 1 перепуска воздуха.

При отклонении K_в от заданного значения, например при увеличении расхода воздуха, потребляемого от ВСУ, давление P_к на входе в мерное устройство 14, например трубы Вентури, остается постоянным, а давление P_ст - уменьшается, а следовательно и давление в канале 13 элемента сравнения 12, при неизменном давлении P₅, подводимом к этому элементу по каналу 15. На выходе элемента сравнения 12 формируется пневматический сигнал, пропорциональный отрицательному перепаду Δ P_упр, который затем усиливается усилителем 5 и воздействует на поршень 3 пневмопривода 2, перемещая КПВ в сторону уменьшения площади перепуска. Клапан 1 перепуска воздуха начинает прикрываться, снижая расход воздуха, отбираемого от ВСУ, и отношение P_с/P_к увеличивается.

Клапан 1 перепуска воздуха будет закрываться до тех пор, пока P_ст не станет равным P₅, Δ P_упр=0, а P_ст/P_к=K_в.

Аналогично протекает процесс регулирования при уменьшении расхода воздуха, отбираемого от ВСУ.

Таким образом, предложенное устройство на запуске и при разгоне ВСУ обеспечивает блокировку КПВ в закрытом положении до тех пор, пока отношение давлений P_к/P_н не достигнет заданного значения, например, 1, 3, причем это значение может устанавливаться в широком диапазоне отношений, а на номинальных режимах, при величине P_к/P_н больше заданной обеспечивает поддержание постоянного приведенного расхода через мерное устройство.

Возможность обеспечить регулировку точки разблокирования клапана перепуска в широком диапазоне низких значений степени повышения давления P_к/P_н обеспечивает оптимизацию режима ВСУ на запуске как в наземных, так и в полетных условиях, улучшает газодинамическую устойчивость малоразмерных высокооборотных силовых установок, запуск которых осуществляется с закрытым клапаном перепуска, это повышает надежность компрессора и расширяет область применения данного устройства.

Устройство предназначено для регулирования перепуска воздуха из компрессора вспомогательной силовой установки (ВСУ). Устройство содержит клапан перепуска воздуха с пневмоприводом, струйный блок управления (СБУ) и задатчик отношения давлений, входной канал которого сообщен с источником полного давления мерного устройства (МУ), а выходной - с одним из входных каналов элемента сравнения (СБУ), другой входной канал которого соединен с источником давления МУ, а выходные каналы через усилитель с полостями пневмопривода. Сопло питания усилителя соединено с выходом логического элемента, второй выходной канал которого через усилитель с одной из полостей пневмопривода, а управляющие каналы: один - с узкой частью профилированного сопла, другой - с источником низкого давления. В логическом элементе между выходными каналами введен дополнительный канал, соединенный через дроссель с узкой частью сопла. В процессе запуска и на низких режимах работы ВСУ на выходе СБУ формируется сигнал высокого давления, блокирующий клапан перепуска воздуха в закрытом положении, при этом элемент сравнения отключается. На рабочих режимах блокировка элемента сравнения снимается, а в выходных каналах СБУ формируется сигнал, регулирующий перепуск воздуха по Пк. Такое выполнение устройства позволяет уменьшить значения Пк, при котором осуществляется разблокировка клапана из закрытого положения. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для регулирования перепуска воздуха из компрессора вспомогательной силовой установки, содержащее клапан перепуска воздуха с пневмоприводом и струйный блок управления, снабженный струйным усилителем с соплом питания, управляющими и выходными каналами, логическим струйным элементом, профилированным соплом, элементом сравнения с задатчиком отношения давлений, входной канал которого сообщен с каналом замера полного давления, а выходной - с одним из входных каналов элемента сравнения, другой входной канал которого соединен с каналом замера статического давления в мерном устройстве, выходные каналы - с управляющими каналами струйного усилителя, выходные каналы которого соединены с управляющими полостями пневмопривода, сопло питания - с одним из выходных каналов логического струйного элемента, другой выходной канал которого - с одной из полостей пневмопривода, а один из управляющих каналов логического элемента - с узкой частью профилированного сопла, другой - с источником низкого давления, отличающееся тем, что в логическом струйном элементе между выходными каналами введен дополнительный канал, соединенный через дроссель с управляющим каналом логического струйного элемента, соединенного с узким сечением профилированного сопла. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выходной канал логического струйного элемента соединен с одной из полостей пневмопривода через управляющий канал струйного усилителя.