СПОСОБ ЗАЩИТЫ ТУРБОКОМПРЕССОРА ОТ ПОМПАЖА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК F04D27/02 

Изобретение относится к области выявления и предотвращения помпажа компрессора в газотурбинных двигателях (ГТД) и может быть применено в системах управления авиационными ГТД.

Известно устройство (Хоэлл А.Р., Калверт В.К. Новый метод оценки характеристик осевого компрессора по характеристикам его ступеней. Энергетические машины и установки, 1978. Т.100 - М.: Мир. - с.240-247), контролирующее устойчивую работу компрессорного агрегата с помощью датчиков давления на входе и выходе из компрессора, подключенных к блоку вычисления степени сжатия, датчиков оборотов и температуры воздуха на входе в компрессор, присоединенных к формирователю приведенной скорости, блока воспроизведения расходной газодинамической характеристики и электронно-лучевого индикатора.

Недостатком устройства является низкая надежность распознавания и ликвидации помпажа, обусловленные отсутствием контроля комплекса параметров двигателя, наиболее достоверно характеризующих границу его газодинамической устойчивости.

Известны методы и устройства (Шакирьянов М.М. Решающая таблица по устранению различных видов газодинамической неустойчивости в системах, содержащих лопаточные машины. - М.: Авиационная техника, №1, 2000, с.80), контролирующие газодинамическое состояние ГТД с помощью комплекса его параметров. Однако они не проводят одновременный контроль движения газовоздушной массы и числа Рейнольдса, наиболее полно характеризующих газодинамическое состояние двигателя.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, являются способ и устройство (Шакирьянов М.М. Решающая таблица по устранению различных видов газодинамической неустойчивости в системах, содержащих лопаточные машины. - «Авиационная техника», №1, 2000, с.80) защиты турбокомпрессора от помпажа. В этом изобретении вычисляется адиабатический кпд компрессора при известных параметрах: давления воздуха за компрессором и на его входе, температуры воздуха за компрессором и на его входе, и далее он сравнивается с соответствующим порогом. Устройство реализации содержит датчики давления воздуха за компрессором и на его входе, датчики температуры воздуха за компрессором и на его входе, два делительных устройства, а также блоки сравнения и пороговое устройство.

Недостатком способа и устройства является низкая надежность защиты турбокомпрессора от помпажа, обусловленная отсутствием одновременного контроля движения газовоздушной массы и числа Рейнольдса, наиболее полно характеризующих газодинамическое состояние двигателя.

Задачей изобретения является повышение надежности защиты турбокомпрессора от помпажа.

Поставленная задача достигается способом защиты турбокомпрессора от помпажа, в котором измеряют температуру воздуха на входе и за компрессором и давление воздуха за компрессором и формируют сигналы наличия помпажа на исполнительные механизмы регулирующих органов ГТД, в котором в отличие от прототипа дополнительно измеряют давление и температуру воздуха, за первой группой ступеней компрессора, и формируют сигналы наличия помпажа при превышении соответствующими пороговыми значениями функции деления давления воздуха за первой группой ступеней компрессора к корню квадратному из значения температуры воздуха за первой группой ступеней компрессора, функции деления давления воздуха за компрессором к корню квадратному из значения температуры воздуха за компрессором, функции деления давления воздуха за первой группой ступеней компрессора к значению температуры воздуха на входе в компрессор и функции деления давления воздуха за компрессором к значению температуры воздуха за первой группой ступеней компрессора.

Поставленная задача достигается устройством, осуществляющим вышеуказанный способ. Устройство содержит датчик температуры воздуха на входе в компрессор и последовательно соединенные с ним первое делительное устройство и первое пороговое устройство, а также датчик давления воздуха за компрессором и последовательно соединенное с ним второе делительное устройство и датчик температуры воздуха за компрессором, в которое в отличие от прототипа дополнительно введена схема И, первый вход которой соединен с выходом первого порогового устройства, а также введено второе пороговое устройство, вход которого соединен с выходом первого делительного устройства, а выход - со вторым входом схемы И, кроме того, дополнительно введены датчик температуры воздуха за первой группой ступеней компрессора и последовательно соединенные с ним первый функциональный преобразователь, третье делительное устройство, третье пороговое устройство, выход которого соединен с третьим входом схемы И, кроме того, дополнительно введены датчик температуры воздуха за первой группой ступеней компрессора и последовательно соединенные с ним первый функциональный преобразователь, третье делительное устройство, третье пороговое устройство, выход которого соединен с третьим входом схемы И, второй функциональный преобразователь и последовательно соединенные с ним четвертое делительное устройство, четвертое пороговое устройство, выход которого соединен с четвертым входом схемы И, а также датчик давления воздуха за первой группой ступеней компрессора, выход которого соединен со вторыми входами первого и второго делительных устройств, причем выход датчика температуры воздуха за компрессором соединен со вторым функциональным преобразователем, выход датчика давления воздуха за компрессором соединен со вторым входом четвертого делительного устройства, а выход датчика температуры воздуха за первой группой ступеней компрессора соединен со вторым входом второго делительного устройства.

Существо изобретения поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема устройства.

Устройство содержит: датчик 1 температуры воздуха Т1 на входе в компрессор, датчик 2 давления воздуха Р₂(I) за первой группой ступеней компрессора, датчик 3 давления воздуха P₂ за компрессором, датчик 4 температуры воздуха Т₂(I) за первой группой ступеней компрессора, датчик 5 температуры воздуха Т₂ за компрессором, первое делительное устройство 6, второе делительное устройство 7, первый функциональный преобразователь 8, второй функциональный преобразователь 9, первое пороговое устройство 10, второе пороговое устройство 11, третье делительное устройство 12, четвертое делительное устройство 13, третье пороговое устройство 14, четвертое пороговое устройство 15, схему И 16.

Способ осуществляется в устройстве следующим образом. В первом делительном устройстве 6 образуется функция от деления сигналов, поступающих с выходов датчика 2 давления воздуха Р₂(I) за первой группой ступеней компрессора и датчика 1 температуры воздуха T₁ на входе в компрессор. Далее этот сигнал сравнивается с пороговым значением первого порогового устройства 10, и если последний больше данного сигнала, то сигнал далее подается на вход схемы И 16.

Во втором делительном устройстве 7 образуется функция от деления сигналов, поступающих с выходов датчика 3 давления воздуха P₂ за компрессором и датчика 4 температуры воздуха T₂(I) за первой группой ступеней компрессора. Далее этот сигнал сравнивается с пороговым значением второго порогового устройства 11, и если последний больше данного сигнала, то сигнал далее подается на вход схемы И 16.

По другому каналу второй функциональный преобразователь 9 вычисляет квадратный корень из сигнала, поступающего с выхода датчика 5 температуры воздуха Т₂ за компрессором. Далее четвертое делительное устройство 13 формирует функцию от деления сигналов, поступающих с выходов датчика 3 давления воздуха Р₂ за компрессором и второго функционального преобразователя 9. Далее этот сигнал поступает на четвертое пороговое устройство 15 и сравнивается с его пороговым значением, и если последний больше данного сигнала, то сигнал далее подается на четвертый вход схемы И 16.

Первый функциональный преобразователь 8 вычисляет квадратный корень из значения сигнала, поступающего с выхода датчика 4 температуры воздуха Т₂(I) за первой группой ступеней компрессора. Далее третье делительное устройство 12 формирует функцию от деления сигналов, поступающих с выходов датчика 2 давления воздуха Р₂(I) за первой группой ступеней компрессора и первого функционального преобразователя 8. Далее этот сигнал поступает на третье пороговое устройство 14 и сравнивается с его пороговым значением, и если последний больше данного сигнала, то сигнал далее подается на третий вход схемы И 16.

При поступлении всех 4-х сигналов на схему И 16 (это означает наступление глубокого помпажа) подаются сигналы для предотвращения помпажа на ИМ РО ГТД (исполнительные механизмы регулирующих органов ГТД - клапан отсечки топлива, лента перепуска воздуха за компрессором, входной направляющий аппарат и т.д.).

Существенные отличия данного изобретения заключаются в том, что здесь производится одновременный контроль очень важного параметра, числа Рейнольдса, и акустических масс проточной части компрессора. Экономический эффект заключается в том, что данные способ и устройство позволяют повысить надежность работы двигателей, а следовательно, обеспечивают безопасность полета летательных аппаратов.

Изобретение подтверждается следующими теоретическими выкладками.

Обыкновенная формула числа Рейнольдса представляет собой произведение плотности газа ρ на скорость течения V и на характерный размер тела 1, деленное на динамическую вязкость μ

После преобразований R_с имеет следующий вид

где Р - давление, Т - температура, k - коэффициент адиабаты, R - газовая постоянная.

Применяя эти формулы для групп ступеней компрессора, между которыми происходит обмен энергией при наступлении помпажных явлений (Шакирьянов М.М. Решающая таблица по устранению различных видов газодинамической неустойчивости в системах, содержащих лопаточные машины. - М.: «Авиационная техника», №1, 2000, с.80), будем иметь два критерия устойчивости

Р₂(I), Т₂(I) - давление и температура воздуха за первой группой ступеней компрессора,

Далее находим следующие критерии устойчивости.

Акустические массы первой и второй групп ступеней компрессора являются воздушными массами, с которыми можно сравнивать величины пороговых постоянных при определении неустойчивой работы двигателя (В.В.Казакевич. Автоколебания (помпаж) в компрессорах, М., 1974 г.). После преобразований они будут выглядеть следующим образом:

L_ai, L_aii - акустические массы первой и второй групп ступеней компрессора,

ρ₁, ρ₂ - плотность воздуха на входе в компрессор и за компрессором, l₁, l₂, S₁, S₂ - длина и площадь поперечных сечений по линии первой и второй групп ступеней компрессора,

P₂, P₂(i) - давление воздуха за компрессором и его первой группой ступеней,

T₁, Т₂(i) - температура воздуха на входе в компрессор и за его первой группой ступеней.

Реализация критериев устойчивости (1), (2), (3), (4) осуществляется предложенным техническим решением.

Обоснование технического эффекта.

При наступлении помпажных явлений происходит резкое понижение давления воздуха по тракту компрессора и повышение температуры воздуха по всему газовоздушному тракту двигателя. Поэтому все критерии устойчивости (1), (2), (3), (4) резко падают, а данные способ и устройство позволяют быстрее фиксировать резкие уменьшения этих критериев. Вследствие этого происходит резкое повышение надежности распознавания, а значит, и ликвидации помпажа, следовательно, увеличивается безопасность полетов.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить надежность распознавания за счет увеличения быстродействия фиксации помпажных явлений.

Изобретение может быть использовано в системах управления авиационными ГТД для выявления и предотвращения помпажа компрессора и обеспечивает повышение надежности защиты турбокомпрессора от помпажа. Способ заключается в измерении температуры воздуха на входе в компрессор за первой группой ступеней компрессора и за компрессором, кроме того, измеряют давление воздуха за первой группой ступеней компрессора и за компрессором. Устройство содержит датчик температуры воздуха на входе в компрессор и последовательно соединенные с ним первое делительное устройство и первое пороговое устройство, датчик давления воздуха за компрессором и последовательно соединенное с ним второе делительное устройство и датчик температуры воздуха за компрессором, а также схему «И», датчик температуры воздуха за первом группой ступеней компрессора и последовательно соединенные с ним первый функциональный преобразователь, третье делительное устройство, третье пороговое устройство, датчик температуры воздуха за первой группой ступеней компрессора, первый функциональный преобразователь, третье делительное устройство, третье пороговое устройство, второй функциональный преобразователь и четвертое делительное устройство, четвертое пороговое устройство, датчик давления воздуха за первой группой ступеней компрессора. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ защиты турбокомпрессора от помпажа, при котором измеряют температуру воздуха на входе и за компрессором и давление воздуха за компрессором и формируют сигналы наличия помпажа на исполнительные механизмы регулирующих органов ГТД, отличающийся тем, что дополнительно измеряют давление и температуру воздуха за первой группой ступеней компрессора и формируют сигналы наличия помпажа при превышении соответствующими пороговыми значениями функции деления давления воздуха за первой группой ступеней компрессора к корню квадратному из значения температуры воздуха за компрессором, функции деления давления воздуха за первой группой ступеней компрессора к значению температуры воздуха на входе в компрессор и функции деления давления воздуха за компрессором к значению температуры воздуха за первой группой ступеней компрессора.2. Устройство защиты турбокомпрессора от помпажа, содержащее датчик температуры воздуха на входе в компрессор и последовательно соединенные с ним первое делительное устройство и первое пороговое устройство, а также датчик давления воздуха за компрессором и последовательно соединенное с ним второе делительное устройство и датчик температуры воздуха за компрессором, отличающееся тем, что в него дополнительно введена схема «И», первый вход которой соединен с выходом первого порогового устройства, а также введено второе пороговое устройство, вход которого соединен с выходом первого делительного устройства, а выход - со вторым входом схемы «И», кроме того, дополнительно введены датчик температуры воздуха за первой группой ступеней компрессора и последовательно соединенные с ним первый функциональный преобразователь, третье делительное устройство, третье пороговое устройство, выход которого соединен с третьим входом схемы «И», второй функциональный преобразователь и последовательно соединенные с ним четвертое делительное устройство, четвертое пороговое устройство, выход которого соединен с четвертым входом схемы «И», а также датчик давления воздуха за первой группой ступеней компрессора, выход которого соединен со вторыми входами первого и второго делительных устройств, причем выход датчика температуры воздуха за компрессором соединен со вторым функциональным преобразователем, выход датчика давления воздуха за компрессором соединен со вторым входом четвертого делительного устройства, а выход датчика температуры воздуха за первой группой ступеней компрессора соединен со вторым входом второго делительного устройства.