СПОСОБ И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2011 года по МПК F02C9/00 

Изобретение относится к области авиационной техники, а точнее касается способа и системы автоматического управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой.

Известен способ управления газотурбинного двигателя с форсажной камерой воздействием на расход топлива в форсажную камеру ГТД из условия обеспечения заданного значения коэффициента избытка воздуха где Ġ_B - расход воздуха, Ġ_т0 и Ġ_тф - расход топлива соответственно в основной и форсажной камерах, L₀ - расход воздуха, необходимого для полного сгорания 1 кг топлива (Ю.Н.Нечаев, P.M.Федоров. Теория авиационных газотурбинных двигателей, М., Машиностроение, 1978, часть 2, стр.70).

Известный способ не позволяет достичь максимально возможного значения тяги на форсажном режиме при ухудшении с наработкой КПД газогенератора.

Наиболее близким техническим решением является способ управления форсажным режимом газотурбинного двигателя (ГТД) путем воздействия на подачу топлива в форсажную камеру сгорания (G_тф) и площадь реактивного сопла (F_c). Воздействия формируют программными регуляторами (автоматом подачи топлива и автоматом управления реактивным соплом), исходя из условия оптимизации значений коэффициента избытка воздуха и перепада давлений газа на турбине (π_т) для обеспечения максимально возможного значения тяги (R) ГТД по фактически измеренным значениям параметров, определяющих работу двигателя, таким как, например, температура и давление.

Известно управление форсажными режимами ГТД, реализующее зависимости G_тф=P_кf(T_вх) и π_т=f(T_вх), где Р_к - фактическое значение давления воздуха за компрессором, T_вx - фактическое значение температуры воздуха на входе в ГТД, π_т - перепад давлений газа на турбине (Ю.Н.Нечаев, P.M.Федоров. Теория авиационных газотурбинных двигателей, М., Машиностроение, 1978, часть 2, стр.188).

Устройство, реализующее способ, включает датчики, измеряющие соответствующие параметры, автомат подачи топлива в форсажную камеру (G_тф) по сигналам давления воздуха за компрессором (Р_к) и температуры воздуха на входе ГТД (Т_вх) и автомат управления реактивным соплом (F_c), a также датчики температуры газа за турбиной (Т_т) и частоты вращения ротора компрессора (n) (там же).

Для обеспечения максимально возможного значения тяги (R) ГТД в качестве параметров, определяющих программы управления форсажным режимом, используют измеряемые значения Р_к и Т_вх, а вид зависимости определяется, в частности, характеристиками газогенератора ГТД.

Однако, с наработкой при эксплуатации самолета происходит ухудшение характеристик газогенератора ГТД из-за падения КПД компрессора (ŋ_к) и турбины (ŋ_т). Это приводит к тому, что управление форсажным режимом становится менее эффективным в силу неоптимальности с точки зрения обеспечения тяги ГТД из-за того, что не учитываются эксплуатационные изменения характеристик газогенератора.

В основу изобретения положена задача повышения эффективности работы ГТД с наработкой на форсажном режиме.

Техническим результатом является оптимизация тяги ГТД с наработкой на форсажном режиме.

Поставленная задача решается тем, что в заявленном способе управления газотурбинным двигателем, при котором измеряют параметры, характеризующие работу двигателя, в том числе температуру газа за турбиной (Т_т), частоту вращения ротора компрессора (n), перепад давления на турбине (π_т), и управляют форсажным режимом путем воздействия на реактивное сопло и подачу топлива в форсажную камеру сгорания по заданной программе, предварительно для двигателя с нулевой наработкой формируют зависимость T_т=f(n), и при управлении форсажным режимом сравнивают фактическое значение частоты вращения ротора (n_фак) со значением частоты вращения ротора двигателя с нулевой наработкой при фактической температуре и при наличии разности (Δn) между ними выдают сигнал, пропорциональный разности, и по нему корректируют программу подачи топлива в форсажную камеру сгорания из условия обеспечения заданного значения коэффициента избытка воздуха

Целесообразно, чтобы дополнительно по сигналу разности (Δn) корректировали бы управление площадью реактивного сопла из условия обеспечения максимально возможной тяги ГТД.

Поставленная задача решается также тем, что система управления газотурбинного двигателя, содержащая автомат подачи топлива в форсажную камеру (G_тф) по сигналам давления воздуха за компрессором (Р_к) и температуры воздуха на входе ГТД (Т_вх), датчики температуры газа за турбиной (Т_т), частоты вращения ротора компрессора (n) и перепада давления на турбине (π_т), и регулятор створок реактивного сопла, включающий элемент сравнения заданного и фактического значений π_т, один вход которого соединен с датчиком перепада давлений на турбине, а другой - с узлом формирования заданного значения этого перепада, дополнительно содержит запоминающее устройство функциональной зависимости T_т=f(n), вход которого соединен с датчиком температуры газа за турбиной Т_т, а выход - с элементом сравнения частот вращения, при этом другой вход элемента сравнения соединен с датчиком частоты вращения ротора компрессора n, a выход связан через узел коррекции по Δn программы подачи топлива G_тф по Δn с автоматом подачи топлива.

Целесообразно, чтобы в системе был дополнительно установлен узел коррекции заданного перепада давлений (π_т) по Δn, вход которого соединен с выходом элемента сравнения частот вращений, а выход - с узлом формирования заданного значения перепада давлений на турбине.

Для получения информации об ухудшении характеристик газогенератора предлагается использовать функционально связанные параметры - температуру газа за турбиной (Т_т) и частоту вращения ротора компрессора (n) в виде зависимости Т_т=f(n), полученной для двигателя с нулевой наработкой техническими средствами, например, приборными замерами и/или компьютерным моделированием.

При падении ŋ_к и ŋ_т эта зависимость меняется таким образом, что при одном и том же значении Т_т значение n уменьшается.

Поэтому сигнал разности n_ном-n_фак при Т_т - const может служить мерой ухудшения характеристики газогенератора с наработкой (где n_ном - номинальное значение частоты вращения для двигателя с нулевой наработкой, n_фак - текущее значение n).

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется описанием и чертежом, на котором представлена блок-схема устройства, реализующего данный способ.

Система включает: ГТД как объект управления - 1, датчик 2 давления за компрессором, датчик 3 температуры воздуха на входе в двигатель, датчик 4 перепада давлений на турбине, элемент сравнения 5 фактического и заданного значений перепада давлений (π_т и π_{т зад} соответственно), узел 6 формирования заданного значения перепада давлений турбины, регулятор 7 створок реактивного сопла, узел 8 коррекции заданного значения перепада давлений, узел 9 сравнения номинального значения частоты вращения ротора и фактического, датчик 10 частоты вращения ротора, узел 11 формирования зависимости T_т=f(n) для двигателя с нулевой наработкой, датчик 12 температуры газа за турбиной, узел 13 коррекции программы подачи топлива в форсажную камеру сгорания, регулятор 14 подачи топлива в форсажную камеру сгорания.

Предлагаемая схема работает следующим образом.

В узле 11 предварительно формируют зависимость Т_т=f(n) для двигателя с нулевой наработкой. При работе ГТД 1 на вход узла 11 с датчика 12 поступает сигнал Т_т, и, используя зависимость T_т=f(n), определяют n_ном и подают этот сигнал на вход в узел 9 сравнения, где формируется разность сигнала с датчика 10 и узла 11 (Δn=n_фак-n_ном). Далее сигнал Δn поступает в узлы коррекции 13 и 8 для изменения программы управления G_тф и F_c.

Программа управления G_тф выполняется по сигналам с датчиков 2 и 3, подаваемым на вход регулятора 14, обеспечивая закон G_тф=Р_кf(Т_вх). Этот закон корректируется по сигналу Δn, поступающему с узла сравнения 9 на вход регулятора 14.

Управление реактивным соплом выполняется регулятором 7 по сигналу с элемента сравнения 5, на вход которого поступает сигнал с датчика 4 (π_т) и сигнал с узла 6 формирования (π_зад). Площадь сопла (F_c) меняется до тех пор, пока π_т не станет равным π_{т зад} (π_т=π_{т зад}). Формирование π_{т зад} осуществляется в узле 6 по сигналу с датчика 3 (Т_вх) и корректируется узлом 8 по сигналу, поступающему с узла сравнения 9.

Законы коррекции π_{т зад} и G_тф определяются либо экспериментально, либо расчетным путем из условия обеспечения заявленных значений тяги ГТД при заданном значении коэффициента избытка воздуха

При небольшой наработке ГТД, когда КПД газогенератора практически не изменился, а значит и зависимость Т_т=f(n) соответствует номинальной, коррекции программы не происходит, т.к. Δn=0.

По мере ухудшения характеристик газогенератора меняется зависимость Т_т=f(n), что приводит к росту Δn пропорционально падению КПД генератора.

Таким образом, в зависимости от Δn меняется потребная величина коррекции основных программ управления G_тф и F_c.

Предлагаемый способ управления позволяет уменьшить потерю тяги ГТД при ухудшении характеристик газогенератора с наработкой за счет коррекции программ управления G_тф и F_c по параметру, в качестве которого применяют разность между фактическим и номинальным значением n при фактическом значении Т_т.

Таким образом, программы формируются как G_тф=Р_кf₁(T_вх)+f₂(Δn) и π_{т зад}=f₃(Т_вх)+f₄(Δn), где f₁(T_вx) и f₃(Т_вх) - функциональные зависимости в программах подачи топлива в форсажную камеру и при формировании π_{т зад} соответственно, f₂(Δn) и f₄(Δn) - функции, корректирующие программы.

Изобретение относится к области авиационной техники, а точнее касается автоматического управления самолета с газотурбинным двигателем с форсажной камерой. Предварительно для двигателя с нулевой наработкой формируют зависимость T_т=f(n), где температура газа за турбиной (Т_т), частота вращения ротора компрессора (n). При управлении форсажным режимом сравнивают фактическое значение частоты вращения ротора (n_фак) со значением частоты вращения ротора двигателя с нулевой наработкой при фактической температуре. При наличии разности (Δn) между ними выдают сигнал, пропорциональный разности, и по нему корректируют программу подачи топлива в форсажную камеру сгорания из условия обеспечения заданного коэффициента избытка воздуха (). Система управления газотурбинного двигателя содержит автомат подачи топлива в форсажную камеру (G_тф) по сигналам давления воздуха за компрессором (Р_к) и температуры воздуха на входе ГТД (Т_вх), датчики температуры газа за турбиной (Т_т), частоты вращения ротора компрессора (n) и перепада давления на турбине (π_т) и регулятор створок реактивного сопла, включающий элемент сравнения заданного и фактического значений π_т. Система содержит дополнительно запоминающее устройство функциональной зависимости Т_т=f(n) и элемент сравнения. Один вход устройства функциональной зависимости соединен с датчиком температуры газа за турбиной Т_т, а выход - с элементом сравнения частот вращения. Другой вход элемента сравнения соединен с датчиком частоты вращения ротора компрессора, а выход, через узел коррекции по Δn программы подачи топлива G_тф связан с автоматом подачи топлива. Техническим результатом является оптимизация тяги газотурбинного двигателя с наработкой на форсажном режиме. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления газотурбинным двигателем, при котором измеряют параметры, характеризующие работу двигателя, в том числе температуру газа за турбиной (Т_т), частоту вращения ротора компрессора (n), перепад давления на турбине (π_т), и управляют форсажным режимом путем воздействия на реактивное сопло и подачу топлива в форсажную камеру сгорания по заданной программе, отличающийся тем, что предварительно для двигателя с нулевой наработкой формируют зависимость T_т=f(n), и при управлении форсажным режимом сравнивают фактическое значение частоты вращения ротора (n_фак) со значением частоты вращения ротора двигателя с нулевой наработкой при фактической температуре и при наличии разности (Δn) между ними выдают сигнал, пропорциональный разности, и по нему корректируют программу подачи топлива в форсажную камеру сгорания из условия обеспечения заданного значения коэффициента избытка воздуха

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно по сигналу разности (Δn) корректируют управление площадью реактивного сопла из условия обеспечения максимально возможной тяги ГТД при заданном значении коэффициента избытка воздуха

3. Система управления газотурбинного двигателя, содержащая автомат подачи топлива в форсажную камеру (G_тф) по сигналам давления воздуха за компрессором (Р_к) и температуры воздуха на входе ГТД (Т_вх), датчики температуры газа за турбиной (Т_т), частоты вращения ротора компрессора (n) и перепада давления на турбине (π_т), и регулятор створок реактивного сопла, включающий элемент сравнения заданного и фактического значений π_т, один вход которого соединен с датчиком перепада давлений на турбине, а другой - с узлом формирования заданного значения этого перепада, отличающаяся тем, что дополнительно содержит запоминающее устройство функциональной зависимости T_т=f(n), вход которого соединен с датчиком температуры газа за турбиной Т_т, и элемент сравнения частот вращения, связанный входом с устройством функциональной зависимости, при этом другой вход элемента сравнения соединен с датчиком частоты вращения ротора компрессора n, а выход связан через узел коррекции программы подачи топлива G_тф по Δn с автоматом подачи топлива.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что дополнительно установлен узел коррекции заданного перепада давлений по Δn, вход которого соединен с выходом элемента сравнения частот вращений, а выход - с узлом формирования заданного значения перепада давлений на турбине.