СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ПРИВОДА И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК F02C9/28 

Изобретение относится к системам управления силовыми установками и может быть использовано для регулирования работы установок со свободной турбиной, например, нагнетателей, гребных винтов, винтов вертолетов и т.д.

Известна система регулирования частоты вращения ротора низкого давления газотурбинного двигателя, при работе которой измеряют частоту вращения ротора турбины, сравнивают измеренную частоту вращения с заданным ее значением, полученный сигнал рассогласования усиливают и подают на сумматор, с выхода которого он подается на астатический воздушный редуктор, который является задатчиком регулятора перепада давлений на турбине. При отклонении частоты вращения от своего заданного значения в системе возникает отличный от ноля сигнал рассогласования, который, управляя степенью редукции воздушного редуктора, изменяет заданное значение регулятора, а следовательно, и площадь сопла газотурбинного двигателя таким образом, чтобы скомпенсировать сигнал рассогласования. Способ позволяет осуществлять работу двигателя с заданной частотой вращения ротора.

Необходимо также отметить, что при малых отклонениях частоты вращения ротора от заданных значений (не более 3%) сигнал с логического блока, управляя блоком коммутации, подключает к входу сумматора сигнал гибкой отрицательной обратной связи, снимаемый с датчика положения исполнительного органа редуктора и проходящий через дифференцирующее звено.

При больших сигналах рассогласования блок коммутации отключает обратную связь.

Система регулирования частоты вращения ротора газотурбинного двигателя выполнена в виде блока сравнения значений частоты вращения ротора от датчика частоты вращения и задатчика, причем блок сравнения через усилитель связан с сумматором, выход которого через воздушный редуктор соединен с регулятором перепада давления на турбине.

Система также содержит датчик давления воздуха на входе в двигатель, который через двигатель, блок формирования постоянной времени и дифференциальное звено соединен с сумматором.

Система содержит цепочку обратной связи, соединяющую датчик положения исполнительного органа воздушного редуктора, вход которого связан с выходом воздушного редуктора, а выход - через второе дифференциальное звено и блок коммутации - со входом сумматора.

(см. а.с. СССР №1066265, кл. F 02 C 9/28, 1994 г.) - наиболее близкий аналог.

В результате анализа известной системы необходимо отметить, что при изменении коэффициента передачи двигателя от управляющего воздействия к частоте вращения изменяется общий коэффициент усиления редуктора. Как следствие происходит ухудшение быстродействия или снижение запасов устойчивости регулятора.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа регулирования газотурбинного привода со свободной турбиной и системы регулирования, позволяющих обеспечить стабильность динамических характеристик системы регулирования при изменении в широких пределах нагрузки на свободную турбину и повысить таким образом динамическую точность регулирования.

Поставленная задача обеспечивается тем, что в способе регулирования газотурбинного привода путем измерения частоты вращения турбины, сравнения ее с заданной частотой вращения, дифференцирования сигнала рассогласования заданного и фактического значений частоты вращения турбины, суммирования сигнала рассогласования с дифференцированным сигналом и регулирования управляющим сигналом элемента управления расходом топлива, новым является то, что дополнительно определяют момент на валу турбины, делят сигнал значения частоты вращения турбины на сигнал, пропорциональный моменту нагрузки, умножают продифференцированный сигнал рассогласования на сигнал, полученный в результате деления, и суммируют его с сигналом рассогласования, после чего просуммированный сигнал умножают на сигнал значения момента на валу турбины и полученный управляющий сигнал подают на элемент управления расходом топлива.

В системе регулирования газотурбинного привода, содержащей датчик и задатчик частоты вращения турбины, выходами соединенные с элементом сравнения, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого имеет возможность соединения с управляющим элементом дозатора топлива, причем выход элемента сравнения соединен с входом дифференцирующего звена, новым является то, что система снабжена двумя умножителями, блоком деления и измерителем крутящего момента турбины, первый вход первого умножителя соединен с выходом сумматора, а выход - с управляющим элементом дозатора топлива, первый вход второго умножителя соединен с выходом дифференциатора, а выход - со вторым входом сумматора, причем измеритель крутящего момента турбины соединен со вторым входом первого умножителя и первым входом блока деления, второй вход которого соединен с датчиком частоты вращения турбины, а вход блока деления соединен со вторым входом второго умножителя.

По сравнению с наиболее близким аналогом способ и система регулирования обеспечивают постоянство произведения коэффициента усиления регулятора и коэффициента передачи двигателя и таким образом стабильность полосы рабочих частот системы регулирования. Благодаря этому быстродействие и запасы устойчивости обеспечиваются в широком диапазоне изменения нагрузки свободной турбины.

При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному способу и системе, а следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию “новизна”.

Считаем, что сущность заявленного изобретения не следует явным образом из известных решений, а следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию “изобретательский уровень”.

Сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для реализации способа и выполнения системы.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом, где на чертеже представлена схема системы регулирования газотурбинного привода.

Способ регулирования газотурбинного привода осуществляют следующим образом.

В процессе работы газотурбинного привода измеряется частота вращения турбины.

Сигнал частоты вращения с датчика поступает в элемент сравнения, где сравнивается с сигналом заданной частоты вращения турбины. Полученный сигнал рассогласования подается на дифференциатор, где дифференцируется. Продифференцированный сигнал подается на первый вход умножителя, а сигнал с выхода элемента сравнения, кроме того, подается на первый вход сумматора.

Одновременно измеряют крутящий момент турбины. Измеритель крутящего момента формирует сигнал, пропорциональный текущему значению момента на турбине. Этот сигнал поступает на первый вход блока деления, на второй вход которого подается сигнал частоты вращения свободной турбины. Выходные сигналы из блока деления и дифференциатора умножаются и подаются на второй вход сумматора, который суммирует сигнал дифференцирующего канала.

Кроме того, сигнал, пропорциональный величине значения момента на турбине, подается на второй вход еще одного умножителя, на первый вход которого подается выходной сигнал сумматора.

В результате общий коэффициент усиления изменяется обратно пропорционально текущему значению момента на турбине. Выходной сигнал с умножителя поступает на вход элемента регулирования подачи топлива (дозатор), который изменяет расход топлива в двигатель, пока сигнал не уменьшится до нулевого значения.

Система регулирования газотурбинного привода выполнена в виде задатчика 1 частоты вращения турбины и датчика 2 частоты вращения турбины.

Задатчик 1 и датчик 2 соединены соответственно с первым и вторым входами элемента сравнения 3.

Выход элемента сравнения 3 соединен со входом дифференциатора 4 и с первым входом сумматора 5. Выход дифференциатора 4 соединен с первым входом первого умножителя 6, выход которого соединен со вторым входом сумматора 5.

Выход сумматора 5 соединен с первым входом второго умножителя 7, выход которого соединен с управляющим элементом 8 дозатора топлива.

Система также содержит измеритель 9 крутящего момента турбины, соединенный с первым входом блока деления 10 и вторым входом второго умножителя 7. Выход блока деления 10 соединен со вторым входом первого умножителя 6.

Второй вход блока деления 10 соединен с выходом датчика 2 частоты вращения турбины.

Система регулирования газотурбинного привода работает следующим образом.

В процессе работы турбины элемент сравнения 3 постоянно сравнивает заданное задатчиком 1 и измеряемое датчиком 2 фактическое значение частоты вращения турбины. Сигнал разности значений дифференцируется дифференциатором и, кроме того, сигнал разности значений поступает на первый вход сумматора 5.

Одновременно, измеритель 9 крутящего момента формирует сигнал, пропорциональный текущему значению момента на валу турбины (М_нагр), который подается на первый вход делителя 10 и второй вход второго умножителя 7.

Выходной сигнал с дифференциатора 4 поступает на первый вход первого умножителя 6, на второй вход которого поступает сигнал с выхода блока деления 10. Полученный умножителем 6 сигнал умножается на отношение n_ст/М_нагр, где

n_ст - сигнал частоты вращения свободной турбины;

М_нагр - сигнал, пропорциональный моменту нагрузки на валу свободной турбины.

Сумматор 5 суммирует сигнал ошибки и выходной сигнал дифференцирующего канала регулятора.

Таким образом, на второй вход второго умножителя 7 поступает сигнал, пропорциональный величине момента на турбине, а на первый его вход - сигнал частоты вращения турбины. Общий коэффициент усиления регулятора изменяется обратно пропорционально текущему значению момента на валу турбины. Выходной сигнал второго умножителя 7 поступает на элемент 8 управления дозатором топлива. Дозатор регулируется до тех пор, пока сигнал регулятора не уменьшится до нуля.

Система и способ регулирования позволяют обеспечить высокую динамическую точность регулирования газотурбинного привода в широких пределах изменения нагрузок.

Изобретение относится к системам управления силовыми установками и может быть использована для регулирования работы установок со свободной турбиной, например, нагнетателей, гребных винтов, винтов вертолетов и т.д. Способ регулирования газотурбинного привода осуществляется путем измерения частоты вращения турбины, сравнения ее с заданной частотой вращения, дифференцирования сигнала рассогласования заданного и фактического значений частоты вращения турбины, суммирования сигнала рассогласования с дифференцированным сигналом и регулирования управляющим сигналом элемента управления расходом топлива, причем дополнительно определяют момент на валу турбины, делят сигнал значения частоты вращения турбины на сигнал, пропорциональный моменту нагрузки, умножают продифференцированный сигнал рассогласования на сигнал, полученный в результате деления, и суммируют его с сигналом рассогласования, после чего просуммированный сигнал умножают на сигнал значения момента на валу турбины и полученный управляющий сигнал подают на элемент управления расходом топлива. Система регулирования газотурбинного привода содержит датчик и задатчик частоты вращения турбины, выходами соединенные с элементом сравнения, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого имеет возможность соединения с управляющим элементом дозатора топлива, причем выход элемента сравнения соединен с входом дифференцирующего звена, причем система снабжена двумя умножителями, блоком деления и измерителем крутящего момента турбины, первый вход первого умножителя соединен с выходом сумматора, а выход - с управляющим элементом дозатора топлива, первый вход второго умножителя соединен с выходом дифференциатора, а выход - со вторым входом сумматора, причем измеритель крутящего момента турбины соединен со вторым входом первого умножителя и первым входом блока деления, второй вход которого соединен с датчиком частоты вращения турбины, а вход блока деления соединен со вторым входом второго умножителя. Такой способ и такая система позволят обеспечить постоянство произведения коэффициента усиления регулятора и коэффициента передачи двигателя и таким образом стабильность полосы рабочих частот системы регулирования. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ регулирования газотурбинного привода путем измерения частоты вращения турбины, сравнения ее с заданной частотой вращения, дифференцирования сигнала рассогласования заданного и фактического значений частоты вращения турбины, суммирования сигнала рассогласования с дифференцированным сигналом и регулирования управляющим сигналом элемента управления расходом топлива, отличающийся тем, что дополнительно определяют момент на валу турбины, делят сигнал значения частоты вращения турбины на сигнал, пропорциональный моменту нагрузки, умножают продифференцированный сигнал рассогласования на сигнал, полученный в результате деления, и суммируют его с сигналом рассогласования, после чего просуммированный сигнал умножают на сигнал значения момента на валу турбины и полученный управляющий сигнал подают на элемент управления расходом топлива.2. Система регулирования газотурбинного привода, содержащая датчик и задатчик частоты вращения турбины, выходами соединенные с элементом сравнения, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого имеет возможность соединения с управляющим элементом дозатора топлива, причем выход элемента сравнения соединен с входом дифференцирующего звена, отличающаяся тем, что система снабжена двумя умножителями, блоком деления и измерителем крутящего момента турбины, первый вход первого умножителя соединен с выходом сумматора, а выход - с управляющим элементом дозатора топлива, первый вход второго умножителя соединен с выходом дифференциатора, а выход - со вторым входом сумматора, причем измеритель крутящего момента турбины соединен со вторым входом первого умножителя и первым входом блока деления, второй вход которого соединен с датчиком частоты вращения турбины, а вход блока деления соединен со вторым входом второго умножителя.