СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СТУПЕНЯМИ ПОВОРОТНЫХ ЛОПАТОК СТАТОРА КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2011 года по МПК F01D17/16 F04D29/56 F01D9/02 

Изобретение относится к области авиации и газотурбинных установок наземного применения, а именно к компрессорам высокого давления двухконтурных турбореактивных двигателей и методам управления ступенями поворотных лопаток статора компрессора.

Улучшение параметров двигателя, в частности увеличение КПД двигателя и уменьшение удельного расхода топлива, требует повышения КПД компрессора и расширения диапазона его устойчивой работы. Одним из путей повышения КПД компрессора является расширение вариантности углов установки и интервалов углов поворота лопаток направляющих лопаточных аппаратов ступеней компрессора высокого давления на переходных режимах работы двигателя от запуска до режима максимальной тяги, включая чрезвычайный, а также на неустановившихся режимах работы. Одним из основных условий работоспособности двигателя во всем диапазоне режимов работы является надежность работы всех отдельных элементов механизма поворота лопаток направляющих аппаратов.

Известна система управления ступенями поворотных лопаток статора компрессора газотурбинного двигателя с помощью механизма привода поворотными лопатками входного направляющего аппарата (ВНА) двигателя ПС-90А, в котором ротор датчика угла установки поворотных лопаток посредством тяг соединен с ведущим рычагом вала привода (А.А.Иноземцев, Е.А.Коняев, В.В.Медведев, А.В.Нерадько, А.Е.Ряссов. Авиационный двигатель ПС-90А, М.: Либра-К, 2007, стр.57).

При поломке ведущего рычага невозможно получить достоверную информацию о фактическом положении поворотных лопаток статора компрессора, т.к. в этом случае будет нарушена связь между датчиком угла установки поворотных лопаток и самими поворотными лопатками.

Наиболее близкой к заявляемой является система управления ступенями лопаток статора турбореактивного двигателя с изменяемым углом установки, включающая силовой механизм, посредством тяг и рычагов связанный с синхронизирующими кольцами управления, которые в свою очередь соединены с каждой из поворотных лопаток статора компрессора газотурбинного двигателя (Заявка на изобретение №2006116817, F02K 3/00, 2007).

При увеличении нагрузки на силовой механизм возможна поломка его деталей и нарушение кинематических связей между силовым цилиндром и ведущим валом. Это приведет к самопроизвольной установке поворотных лопаток на неопределенный угол и, в конечном счете, к помпажу, аварийному останову двигателя и к поломке компрессора.

Техническая задача, которую решает изобретение, заключается в повышении надежности системы путем предотвращения выхода из строя компрессора в случае нарушения кинематических связей между силовым цилиндром и ведущим валом за счет получения достоверной информации о фактическом положении поворотных лопаток статора, поступающей в систему автоматического управления газотурбинного двигателя.

Сущность изобретения заключается в том, что в системе управления ступенями поворотных лопаток статора компрессора газотурбинного двигателя с механизмом управления, связанным с каждой поворотной лопаткой ступени посредством ведущего вала с рычагами, согласно п.1 формулы ведущий вал дополнительно включает ведущий рычаг, который связан с силовым цилиндром механизма управления с помощью тяги и содержит наружный и внутренний рычаги, соединенные в двух местах с помощью первого и второго элементов крепления, причем внутренний рычаг выполнен с возможностью поворота относительно второго элемента крепления в случае поломки первого элемента крепления, а на корпусе статора закреплен датчик угла установки поворотных лопаток, связанный с рычагом ведущего вала посредством тяги датчика, при этом тяги силового цилиндра и датчика выполнены с возможностью перемещения в параллельных плоскостях, а датчик непосредственно связан с системой автоматического управления газотурбинного двигателя.

Кроме того, по п.2 формулы первый и второй элементы крепления по прочностным характеристикам различаются по меньшей мере в 3 раза. Первый элемент служит так называемым «слабым звеном» внутреннего рычага, который в первую очередь ломается при нагружении.

В случае поломки первого элемента крепления («слабого звена») и нарушения кинематических связей между силовым цилиндром и ведущим валом ступени поворотных лопаток статора компрессора будет сохранена кинематическая связь датчика угла установки поворотных лопаток с самими лопатками, что обеспечит получение достоверной информации о фактическом положении поворотных лопаток. А в случае достижения предельных величин рассогласования между программным значением угла установки лопаток и фактическим, характеризующих диапазон беспомпажной работы компрессора, в зависимости от режима работы двигателя система автоматического управления сформирует сигнал на блокировку запуска, либо на прекращение запуска, либо на выключение двигателя. Таким образом обеспечивается защита компрессора от поломки из-за помпажа.

Кроме того, появляется возможность объективно проанализировать ситуацию, приведшую к останову или прекращению запуска либо к блокировке запуска. В случае поломки элемента крепления внутреннего рычага возможна быстрая замена этого элемента прямо в эксплуатации.

На фиг.1 показаны ступени поворотных лопаток статора компрессора газотурбинного двигателя, на фиг.2 - вид А на фиг.1. На фиг.3 представлен ведущий рычаг ведущего вала ступени поворотных лопаток.

В статоре компрессора газотурбинного двигателя размещены направляющие лопаточные аппараты с поворотными лопатками 1 статора компрессора, на наружных цапфах которых закреплены поворотные рычаги 2. Рычаги 2 шарнирно связаны с синхронизирующими кольцами 3, регулируемыми тягами 4, ведущим валом 5 и силовым цилиндром 6 механизма управления поворотными лопатками 1. Ведущий вал 5 включает ведущий рычаг 7, а также рычаги 8, соединенные шарнирно с тягами 9 силового цилиндра 6, тягами 10 датчика 11 угла установки поворотных лопаток 1, а также тягами 4, связанными с синхронизирующими кольцами 3. Тяги 9 и 10 выполнены с возможностью перемещения в параллельных плоскостях.

Ведущий рычаг 7 содержит наружный 12 и внутренний 13 рычаги, соединенные в двух местах с помощью первого 14 и второго 15 элементов крепления. Первый элемент 14 («слабое звено») по прочности ниже, чем второй 15, по меньшей мере в 3 раза. Внутренний рычаг 13 выполнен с возможностью поворота относительно второго элемента 15 крепления в случае поломки первого элемента 14, «слабого звена». Поворот лопаток 1 осуществляется одновременно от силового цилиндра 6, усилия от которого передаются одновременно на регулируемые тяги 9 и рычаги 7, синхронно вращая ведущий вал 5. Вал 5 взаимодействует шарнирными соединениями рычагов 8 с регулируемыми тягами 4 и через шарнирные соединения поворачивает синхронизирующие кольца 3 вокруг оси статора компрессора.

Синхронизирующие кольца 3 шарнирно связаны с поворотными рычагами 2 и при повороте взаимодействуют с наружными цапфами поворотных лопаток 1, обеспечивая требуемые углы установки направляющих лопаток 1 на всех режимах работы компрессора газотурбинного двигателя.

Система работает следующим образом.

В случае значительного увеличения нагрузки на детали механизма управления поворотными лопатками 1 и нарушения кинематической связи между силовым цилиндром 6 и ведущим валом 5 происходит поломка «слабого звена» 14 ведущего рычага 7. При этом внутренний рычаг 13 проворачивается относительно оси второго элемента крепления 15, тем самым сохраняя кинематические связи между лопатками 1 статора и датчиком 11. В случае достижения предельных величин рассогласования между программным значением угла α_на прогр и фактическим значением α_на, характеризующих диапазон беспомпажной работы компрессора в зависимости от режима работы двигателя, система автоматического управления формирует сигнал на блокировку или прекращение запуска либо на выключение двигателя. Таким образом обеспечивается защита от поломки деталей компрессора из-за помпажа.

Кроме того, появляется возможность получать достоверную информацию о фактическом положении поворотных лопаток статора, позволяющую анализировать ситуацию, приведшую к останову, прекращению запуска или блокировке запуска двигателя.

После останова двигателя и устранения причин значительного увеличения нагрузки на силовой механизм возможна быстрая замена первого элемента крепления 14 («слабого звена») и запуск двигателя.

Система управления ступенями поворотных лопаток статора компрессора газотурбинного двигателя содержит ведущий вал, включающий ведущий рычаг, связанный тягой с силовым цилиндром механизма управления, и рычаг, связанный тягой с датчиком угла установки поворотных лопаток. Ведущий рычаг содержит наружный и внутренний рычаги, соединенные в двух местах с помощью первого и второго элементов крепления. Внутренний рычаг выполнен с возможностью поворота относительно второго элемента крепления в случае поломки первого элемента крепления. Тяги силового цилиндра и датчика выполнены с возможностью перемещения в параллельных плоскостях, а датчик непосредственно связан с системой автоматического управления газотурбинного двигателя. Изобретение позволяет повысить надежность системы управления за счет получения достоверной информации о фактическом положении поворотных лопаток статора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система управления ступенями поворотных лопаток статора компрессора газотурбинного двигателя с механизмом управления, связанным с каждой поворотной лопаткой ступени посредством ведущего вала с рычагами, отличающаяся тем, что ведущий вал дополнительно включает ведущий рычаг, который связан с силовым цилиндром механизма управления с помощью тяги и содержит наружный и внутренний рычаги, соединенные в двух местах с помощью первого и второго элементов крепления, причем внутренний рычаг выполнен с возможностью поворота относительно второго элемента крепления в случае поломки первого элемента крепления, а на корпусе статора закреплен датчик угла установки поворотных лопаток, связанный с рычагом ведущего вала посредством тяги датчика, при этом тяги силового цилиндра и датчика выполнены с возможностью перемещения в параллельных плоскостях, а датчик непосредственно связан с системой автоматического управления газотурбинного двигателя.

2. Система управления ступенями поворотных лопаток статора компрессора газотурбинного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что первый и второй элементы крепления по прочностным характеристикам различаются по меньшей мере в 3 раза.