УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ТУРБОКОМПРЕССОРА ОТ ПОМПАЖА 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 [Хоуэлл А.Р., Калверт В.К. Новый метод оценки характеристик осевого компрессора по характеристикам его ступеней. - Энергетические машины и установки, 1978. Т.100-М4. - Изд-во «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, обусловленная 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. Изд. вузов «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, является устройство [Шакирьянов М.М. Разработка электронного устройства для распознавания предпомпажных явлений авиационного двигателя. Изв. вузов «Авиационная техника», №4, 1998, с.109-112] защиты турбокомпрессора от помпажа. В этом изобретении вычисляется адиабатический кпд компрессора при известных параметрах: давление воздуха за компрессором и на его входе, температура 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 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, на решение которого направлено изобретение, является повышение надежности защиты турбокомпрессора от помпажа.

Поставленная цель достигается устройством защиты турбокомпрессора от помпажа, содержащим датчики температуры воздуха за компрессором и на его входе, датчик давления воздуха за компрессором, а также первое пороговое устройство, в которое в отличие от прототипа дополнительно введены датчик температуры воздуха за первой группой ступеней компрессора, первый функциональный преобразователь и последовательно соединенные с ним первый сумматор и первое множительное устройство, выход которого связан со входом первого порогового устройства, выход которого связан с первым входом схемы «или», причем вход первого функционального преобразователя соединен с выходом датчика температуры воздуха на входе в компрессор, а также второй, третий, четвертый и пятый функциональные преобразователи, второй сумматор, второе, третье и четвертое множительные устройства, третье и четвертое пороговые устройства, выходы которых соединены с третьим и четвертым входами схемы «или», а входы соответственно с выходами второго и четвертого множительных устройств, вторые входы которых соединены с выходом датчика давления воздуха за компрессором, причем первый вход второго множительного устройства соединен с выходом второго сумматора, а первый вход четвертого множительного устройства соединен через пятый функциональный преобразователь с выходом третьего функционального преобразователя и со вторым входом второго сумматора, первый вход которого соединен с выходом второго функционального преобразователя, который соединен также со вторым входом первого сумматора и со входом четвертого функционального преобразователя, который соединен через третье множительное устройство и второе пороговое устройство со вторым входом схемы «или», причем вход второго функционального преобразователя соединен с выходом датчика температуры воздуха за первой группой ступеней компрессора, а вход третьего функционального преобразователя соединен с выходом датчика температуры воздуха за компрессором, а выход датчика давления воздуха за первой группой ступеней компрессора соединен со вторыми входами первого и третьего множительных устройств.

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

Устройство содержит датчик 1 температуры воздуха T₁ на входе в компрессор, датчик 2 температуры воздуха T₂ ^(I) за первой группой ступеней компрессора, датчик 3 температуры воздуха Т₂ за компрессором, датчик 4 давления воздуха Р₂ ^(I) за первой группой ступеней компрессора, датчик 5 давления воздуха Р₂ за компрессором, первый функциональный преобразователь 6, второй функциональный преобразователь 7, третий функциональный преобразователь 8, первый сумматор 9, второй сумматор 10, первое множительное устройство 11, четвертый функциональный преобразователь 12, второе множительное устройство 13, пятый функциональный преобразователь 14, третье множительное устройство 15, четвертое множительное устройство 16, первое пороговое устройство 17, второе пороговое устройство 18, третье пороговое устройство 19, четвертое пороговое устройство 20, схема «или» 21.

Работа устройства заключается в следующем. Первый функциональный преобразователь 6 формирует величину, обратную значению сигнала, поступающего с выхода датчика 1 температуры воздуха T₁ на входе в компрессор. Второй функциональный преобразователь 7 формирует величину, обратную значению сигнала, поступающего с выхода датчика 2 температуры воздуха Т₂ ^(I) за первой группой ступеней компрессора. Далее первый сумматор 9 суммирует значения сигналов, поступающих с выходов первого 6 и второго 7 функциональных преобразователей. Первое множительное устройство 11 формирует произведение сигналов, поступающих с выходов первого сумматора 9 и датчика 4 давления воздуха P₂ ^(I) за первой группой ступеней компрессора. Далее сигнал поступает в первое пороговое устройство 17, где сравнивается с его пороговым значением, и если последнее больше данного сигнала, то сигнал далее подается на первый вход схемы «или» 21. Третий функциональный преобразователь 8 формирует величину, обратную значению сигнала, поступающего с выхода датчика 3 температуры воздуха Т₂ за компрессором. Второй сумматор 10 суммирует значения сигналов, поступающих с выходов второго 7 и третьего 8 функциональных преобразователей. Второе множительное устройство 13 формирует произведение сигналов, поступающих с выходов второго сумматора 10 и датчика 5 давления воздуха за компрессором. Далее сигнал поступает в третье пороговое устройство 19, где сравнивается с его пороговым значением, и если последнее больше данного сигнала, то сигнал далее подается на третий вход схемы «или» 21. Четвертый функциональный преобразователь 12 вычисляет квадратный корень из значения сигнала, поступающего с выхода второго функционального преобразователя 7. Третье множительное устройство 15 формирует произведение сигналов, поступающих с выходов четвертого функционального преобразователя 12 и датчика 4 давления воздуха P₂ ^(I) за первой группой ступеней компрессора. Далее этот сигнал поступает во второе пороговое устройство 18, где сравнивается с его пороговым значением, и если последнее больше данного сигнала, то сигнал далее подается на второй вход схемы «или» 21. Пятый функциональный преобразователь 14 вычисляет квадратный корень из значения сигнала, поступающего с выхода третьего функционального преобразователя 8. Четвертое множительное устройство 16 формирует произведение сигналов, поступающих с выходов пятого функционального преобразователя 14 и датчика 5 давления воздуха Р₂ за компрессором. Далее этот сигнал поступает в четвертое пороговое устройство 20, где сравнивается с его пороговым значением, и если последнее больше данного сигнала, то сигнал далее подается на четвертый вход схемы «или» 21.

Если хотя бы на одном из четырех входов схемы "или" 21 появится один сигнал (значит появился помпаж, помпажный срыв, помпажные колебания и т.д.), то выдается сигнал для ликвидации помпажа на ИМ РО ГТД (исполнительные механизмы регулирующих органов ГТД, например клапан отсечки топлива).

Существенные отличия предложенного изобретения заключаются в том, что оно позволяет осуществлять одновременный контроль очень важного параметра числа Рейнольдса, и акустических масс проточной части компрессора. Благодаря этому устройство позволяют повысить надежность работы двигателей, а следовательно, обеспечивает безопасность полета летательных аппаратов.

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), приведенные ниже, резко падают. Вследствие этого происходит резкое повышение надежности распознавания, а значит и ликвидации помпажа.

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

R_e=ρV1/μ

После преобразований R_e имеет следующий вид

R_e=P(√kRT)/μRT=Pξ/√Т,

где ξ=√k/Rμ, 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. Изд. Вузов «Авиационная техника», №1, 2000, с.80], будем иметь два критерия устойчивости

Здесь Р₂ ^(I), T₂ ^(I) - давление и температура воздуха соответственно 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

Точно также

Здесь L_aI, L_aII - акустические массы первой и второй групп ступеней компрессора, соответственно

ρ₁, ρ₂ ^(I) - плотности воздуха на входе в компрессор и за его первой группой ступеней;

l₁, l₂, S₁, S₂ - длины и площади поперечных сечений по линии первой и второй групп ступеней компрессора, соответственно;

P₂, Р₂ ^(I) и Т₂, Т₂ ^(I) - давление за компрессором и его первой группой ступеней, а также, соответственно, температура за компрессором и его первой группой ступеней;

P₁, T₁ - давление и температура воздуха на входе в компрессор;

R - газовая постоянная.

Таким образом, реализация критериев устойчивости (1), (2), (3) и (4) позволяет обеспечить надежную защиту турбокомпрессора от помпажа.

Изобретение может быть использовано в системах управления авиационными ГТД для выявления и предотвращения помпажа компрессора и позволяет повысить надежность защиты турбокомпрессора от помпажа. Устройство содержит датчики температуры воздуха за компрессором, датчик давления воздуха за компрессором, первое пороговое устройство, датчик температуры воздуха за первой группой ступеней компрессора, первый функциональный преобразователь и последовательно соединенные с ним первый сумматор и первое множительное устройство. Кроме того, устройство содержит второй, третий, четвертый и пятый функциональные преобразователи, второй сумматор, второе, третье и четвертое множительные устройства, третье и четвертое пороговые устройства, выходы которых соединены с третьим и четвертым входами схемы «или», а входы соответственно с выходами второго и четвертого множительных устройств, вторые входы которых соединены с выходом датчика давления воздуха за компрессором. Вход второго функционального преобразователя соединен с выходом датчика температуры воздуха за первой группой ступеней компрессора, а вход третьего функционального преобразователя соединен с выходом датчика температуры воздуха за компрессором, а выход датчика давления воздуха за первой группой ступеней компрессора соединен со вторыми входами первого и третьего множительных устройств. 1 ил.

Устройство защиты турбокомпрессора от помпажа, содержащее датчики температуры воздуха за компрессором и на его входе, датчик давления воздуха за компрессором, а также первое пороговое устройство, отличающееся тем, что в него дополнительно введены датчик температуры воздуха за первой группой ступеней компрессора, первый функциональный преобразователь и последовательно соединенные с ним первый сумматор и первое множительное устройство, выход которого связан со входом первого порогового устройства, выход которого связан с первым входом схемы «ИЛИ», причем вход первого функционального преобразователя соединен с выходом датчика температуры воздуха на входе в компрессор, а также второй, третий, четвертый и пятый функциональные преобразователи, второй сумматор, второе, третье и четвертое множительные устройства, третье и четвертое пороговые устройства, выходы которых соединены с третьим и четвертым входами схемы «ИЛИ», а входы соответственно с выходами второго и четвертого множительных устройств, вторые входы которых соединены с выходом датчика давления воздуха за компрессором, причем первый вход второго множительного устройства соединен с выходом второго сумматора, а первый вход четвертого множительного устройства соединен через пятый функциональный преобразователь с выходом третьего функционального преобразователя и со вторым входом второго сумматора, первый вход которого соединен с выходом второго функционального преобразователя, который соединен также со вторым входом первого сумматора и со входом четвертого функционального преобразователя, который соединен через третье множительное устройство и второе пороговое устройство со вторым входом схемы «ИЛИ», причем вход второго функционального преобразователя соединен с выходом датчик температуры воздуха за первой группой ступеней компрессора, а вход третьего функционального преобразователя соединен с выходом датчика температуры воздуха за компрессором, а выход датчика давления воздуха за первой группой ступеней компрессора соединен со вторыми входами первого и третьего множительных устройств.