СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ НАПРАВЛЯЮЩИХ АППАРАТОВ КОМПРЕССОРА ДВУХКОНТУРНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2011 года по МПК F04D27/00 

Изобретение относится к области управления работой газотурбинных двигателей и может быть использовано для управления авиационными газотурбинными (ГТД) двухконтурными двигателями.

В настоящее время авиационные ГТД, особенно маневренных самолетов, работают практически постоянно на переменных режимах при действии различных внутренних и внешних возмущений, кроме того, для обеспечения высоких тяговых характеристик и минимизации удельного расхода топлива требуется поддержание заданной рабочей линии на характеристиках компрессоров, и, прежде всего, компрессора низкого давления. Положение направляющих аппаратов компрессора, используемых в ГТД, регулируется различным образом.

Так, например, известен реализуемый системой способ автоматического регулирования ГТД, заключающийся в изменении угла установки направляющих аппаратов компрессора в зависимости от температуры торможения потока на входе в ГТД и оборотов компрессора, причем дополнительно с помощью датчиков пульсаций отслеживают пульсации полного давления, рассчитывают спектральную плотность мощности в рабочем диапазоне частот, сравнивают их мощность на характерных частотах с эталоном и в зависимости от результатов сравнения регулируют углы установки направляющих аппаратов компрессора (см. опубликованная заявка № 97107079, кл. F02C 9/28, 1997 г.).

Данное решение учитывает только изменение температуры воздушного потока на входе в ГТД и его пульсации, что не позволяет осуществлять эффективное регулирование ГТД на изменяющихся режимах работы

Известна система регулирования подачи топлива в ГТД, содержащая электронный цифровой регулятор, связанный с основным регулятором подачи топлива в камеру сгорания и с резервным регулятором, выходы регуляторов связаны с селектором переключения, который связан с дозатором топлива. Резервный регулятор выполнен в виде гидрозамедлителя, центробежного чувствительного элемента, регулятора отношений давлений перед и за компрессором (πк), регулятора направляющих аппаратов.

В процессе работы системы регулятор подачи топлива осуществляет управление дозатором по команде электронного цифрового регулятора. При работе резервного регулятора последний осуществляет регулирование подачи топлива и управление механизацией компрессора по заданным внутридвигательным параметрам. Управление направляющими аппаратами компрессора осуществляется по законам GT=f(nпр) и GT=f(πк) (см. патент на полезную модель № 7528, кл. F02C 7/22, 2004 г.).

В результате анализа известной системы регулирования ГТД необходимо отметить, что она обеспечивает регулирование положения направляющих аппаратов компрессора, однако не обеспечивает эффективного регулирования при работе ГТД на переменных режимах и тем более - двухконтурного ГТД.

Известна система управления ГТД, содержащая устройство регулирования подачи топлива в основную камеру сгорания, замкнутое с газотурбинным двигателем по частоте вращения ротора через датчик частоты вращения. Устройство регулирования подачи топлива выполнено в виде электронного регулятора, вход которого соединен с датчиком частоты вращения, а выход - с одним из входов выходного устройства, которое соединено с исполнительным механизмом насоса-регулятора.

Система также имеет также контур регулирования геометрии проточной части двигателя, включающий в себя регулятор направляющих аппаратов компрессора с элементом управления (например, гидроцилиндром) положением направляющих аппаратов. Регулятор замкнут с двигателем через датчик частоты вращения. Элемент управления положением направляющих аппаратов компрессора дополнительно соединен с датчиком положения направляющих аппаратов, выход которого соединен с блоком коррекции расхода топлива в основную камеру сгорания, выход блока соединен со вторым входом выходного устройства системы регулирования топливопитания основной камеры сгорания.

В процессе работы системы, рычагом управления двигателя, через контур топливопитания основной камеры сгорания, выводят двигатель на рабочий режим, при котором совместно работают контуры регулирования топливопитания и управления положением направляющих аппаратов компрессора.

Сигнал, пропорциональный частоте вращения ротора двигателя, через датчик частоты вращения одновременно поступает на электронный регулятор контура управления топливопитанием и на контур управления направляющими аппаратами компрессора. В электронном регуляторе данный сигнал сравнивается с заданным значением частоты вращения ротора. В зависимости от результатов сравнения, электронный регулятор через выходное устройство выдает команду на исполнительный механизм насоса-регулятора, который соответствующим образом воздействует на дозирующий элемент насоса-регулятора.

Одновременно регулятор направляющих аппаратов также получает на вход сигнал, пропорциональный частоте вращения ротора двигателя, по которому в соответствии с заданной программой через элемент управления устанавливают новое положение направляющих аппаратов компрессора, которое соответствует заданному режиму работы двигателя.

В процессе работы двигателя, в результате внешних возмущений возможно отклонение направляющих аппаратов компрессора от заданного положения, которое определяется датчиком положения. Соответствующий сигнал с датчика положения подается на блок коррекции расхода топлива, который выдает сигнал коррекции в контур топливопитания, изменяя тем самым режим подачи топлива в основную камеру сгорания, компенсируя возмущающее воздействие отклонения положения направляющих аппаратов на частоту вращения ротора двигателя (см. патент РФ № 007599, кл. F02C 7/26, 1994 г. - наиболее близкий аналог).

В результате анализа известной системы управления ГТД, необходимо отметить, что в ней положение направляющих аппаратов определяется только частотой вращения ротора, что не обеспечивает при действии возмущений заданного положения рабочей линии на напорной ветке характеристики компрессора и тем самым не позволяет сохранить максимальное значение коэффициента полезного действия компрессора и его запасов газодинамической устойчивости.

Задачей настоящего изобретения является разработка системы управления положением направляющих аппаратов компрессора двухконтурного газотурбинного двигателя, обеспечивающей более эффективное функционирование ГТД за счет обеспечения оптимальной работы компрессора на всех режимах работы ГТД посредством компенсации влияния внешних и внутренних возмущений и поддержания заданной частоты степени сжатия воздуха в компрессоре.

Поставленная задача обеспечивается тем, что в системе управления положением направляющих аппаратов компрессора двухконтурного газотурбинного двигателя, содержащей привод направляющих аппаратов компрессора, блок формирования программного значения степени сжатия воздуха в вентиляторе, выход которого связан с первым входом элемента сравнения, второй вход которого связан с выходом делителя, новым является то, что система оснащена блоком формирования приведенной частоты вращения ротора низкого давления, входы которого имеют возможность соединения с датчиками частоты вращения ротора низкого давления и температуры воздуха на входе в двигатель, а выход - с входом блока формирования программного значения степени сжатия воздуха в вентиляторе, последовательно соединенными блоками формирования приведенной частоты вращения ротора высокого давления, формирования программы ограничения положения направляющих аппаратов, логического ограничения, входы блока формирования приведенной частоты вращения ротора высокого давления имеют возможность соединения с датчиками частоты вращения ротора высокого давления и температуры воздуха на входе в двигатель, причем система снабжена блоком формирования программы ограничения положения направляющих аппаратов компрессора, вход которого связан с приводом направляющих аппаратов компрессора, а выход - со входом блока логического ограничения, входы делителя имеют возможность соединения с датчиками давления воздуха за и перед вентилятором, выход элемента сравнения связан с изодромным регулятором, выход которого связан со входом блока широтно-импульсной модуляции, выход которого связан с первым входом переключателя, со вторым входом которого связан выход блока логического ограничения, а выход переключателя связан с приводом направляющих аппаратов компрессора.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема заявленной системы.

Система управления положением направляющих аппаратов компрессора двухконтурного ГТД 1 содержит элемент сравнения 2, выход которого связан с входом изодромного регулятора 3, выход изодромного регулятора связан с блоком 4 широтно-импульсной модуляции, выход которого через усилитель 5 связан с первым входом переключателя 6, выход переключателя связан с приводом 7 регулирования положения направляющих аппаратов компрессора.

Для обеспечения функционирования системы управления с достижением указанного технического результата используются следующие датчики (блок датчиков обозначен позицией 8):

n1 - датчик частоты вращения ротора низкого давления;

n2 - датчик частоты вращения ротора высокого давления;

- датчик температуры заторможенного потока воздуха на входе в ГТД;

p1 - датчик давления воздуха за вентилятором;

р2 - датчик давления воздуха перед вентилятором;

Направляющие аппараты компрессора обозначены позицией 9.

Система оснащена блоком 10 формирования приведенной частоты вращения ротора низкого давления, входы которого связаны с датчиками и n1, а выход - с входом блока 11 формирования программного значения степени сжатия воздуха в вентиляторе, выход которого связан с первым входом элемента сравнения 2, второй вход элемента сравнения связан с выходом делителя 12, входы которого связаны с датчиками р2 и p1.

Система также содержит блок 13 формирования приведенной частоты вращения ротора высокого давления, входы которого связаны с датчиками и n2, а выход - с блоком 14 формирования программы ограничения положения направляющих аппаратов, первый и второй выходы которого связаны с блоком 15 логического ограничения.

Система также оснащена блоком 16 формирования программы ограничения положения направляющих аппаратов, вход которого связан с приводом направляющих аппаратов компрессора, а выход - с третьим входом блока 15, выход которого связан со вторым входом переключателя 6.

Все используемые в системе блоки и элементы являются известными и реализуют присущие им функции, их конкретное выполнение не является предметом патентной охраны и поэтому в материалах заявки указываются их выполняемые функции, а конкретное выполнение не раскрыто.

Система управления положением направляющих аппаратов компрессора двухконтурного ГТД работает следующим образом.

В процессе работы ГТД и функционирования системы управления положение направляющих аппаратов регулируется приводом 7, параметры работы отслеживаются поименованными выше датчиками.

Показания датчиков и n1 поступают на входы блока 10, где по известной формуле

определяется значение приведенной частоты вращения ротора компрессора низкого давления. Указанная в формуле зависимость может быть реализована гидромеханическим регулятором в виде профиля его пространственного кулачка или в виде формулы в программе процессора цифрового регулятора.

Полученный сигнал (n1пр) с блока 10 поступает на блок 11, где по наперед заданной функциональной зависимости π_впрог=f(n_пр) определяется заданное значение степени сжатия воздуха в вентиляторе. Указанная функциональная зависимость определяется, например, как совокупность точек на напорных ветвях вентилятора, соответствующих максимальному значению коэффициента полезного действия компрессора. Блок 11 может быть реализован в виде профилированного кулачка регулятора или табличной функции, заданной в алгоритме программного обеспечения цифрового регулятора.

С блока 11 управляющий сигнал (π_впрог) поступает на первый вход элемента сравнения 2.

Параллельно сигналы с датчиков p₁ и р₂ поступают на входы делителя 12, где определяется текущее значение степени сжатия воздуха в вентиляторе по формуле . Существует многообразие известных средств реализации функции делителя как в гидромеханических, так и в электрических регуляторах.

Текущий сигнал (π_вф) с блока 12 поступает на второй вход элемента сравнения 2, где вырабатывается сигнал разности (ошибки) между заданным и текущим значением степени сжатия воздуха в вентиляторе, то есть Δπ_в=π_впрог-π_вф. Блок сравнения может быть реализован, например, в виде мембранного механизма, на мембрану которого с разных сторон подается давление, с одной стороны пропорциональное π_впрог, на другую - пропорциональное π_вф, прогиб мембраны будет соответствовать Δπ_в.

С элемента сравнения сигнал разности (Δπ_в) поступает на изодромный регулятор 3. Изодромный регулятор реализует известную передаточную функцию ПД регулятора:

где

Р - преобразователь Лапласа ;

K - коэффициент усиления;

τ, Т - постоянные времени числителя и знаменателя передаточной функции.

Значения K, τ и Т выбираются при проведения синтеза регулятора из условия обеспечения заданных качества и быстродействия регулятора. Предварительно можно рекомендовать K=10, τ=0,5 и T=0,05. Изодромный регулятор может быть реализован как в цифровом исполнении, так и в гидромеханическом.

С изодромного регулятора сигнал (Y1) поступает на блок 4, где он преобразуется в сигнал широтно-импульсной модуляции (ШИМ), что необходимо для преобразования электрического сигнала в гидравлический.

Сигнал (S) с блока 4 усиливается в блоке 5 и (обозначен как Y2) поступает на первый вход переключателя 6.

Параллельно сигналы с датчиков и n₂ поступают на входы блока 13, где по известной формуле определяется значение приведенной частоты вращения ротора компрессора высокого давления. Указанная зависимость может быть реализована в виде профиля пространственного кулачка в гидромеханическом регуляторе или в виде формулы в программе процессора цифрового регулятора.

С блока 13 сигнал (n2пр) поступает на блок 14, где реализованы заранее выбранные функциональные зависимости α_{вна min}=f(n_2пр) и α_{вна max}=f(n_2пр), которые определяют допустимую зону замкнутого регулирования направляющих аппаратов компрессора низкого давления α_вна. Блок 14 может быть реализован в виде пространственного кулачка в гидромеханическом регуляторе или в виде таблично заданных функций в алгоритме цифрового регулятора. Указанные зависимости α_{вна min}=f(n_2пр) и α_{вна max}=f(n_2пр) назначаются из условия безопасной работы двигателя, исключающие возникновение «помпажа».

С блока 14 сигналы поступают на первый и второй входы блока 15, на третий вход которого поступает сигнал с блока 16, измеряющего положение направляющих аппаратов компрессора низкого давления α_вна. Блок 15 может быть реализован в гидравлическом или электронном исполнении и реализует логическую функцию, ограничивающую величину α_вна, α_{вна min}≤α_вна≤α_{вна max}. В гидромеханических регуляторах функция ограничения реализуется в известных механизмах под названием гидроупоры. При выходе значения α_вна за предел α_{вна min} или α_{вна max} блок 15 подает сигнал на второй вход переключателя 6 на прерывание сигнала управляющего сигнала с блока 5 на привод 7, что необходимо для ограничения значения α_вна. Переключатель 6 представляет собой электрическое или гидромеханическое реле, контакты которого замкнуты, если α_вна находится в зоне ограничения, и разомкнуты если он находится вне зоны ограничения.

С переключателя 6 управляющий сигнал (Y3) поступает на привод 7, который и регулирует положение направляющих аппаратов.

Использование данной системы позволяет обеспечить работу ГТД при максимальном значении коэффициента полезного действия компрессора и сохранить необходимые запасы его газодинамической устойчивости.

Изобретение относится к области управления работой газотурбинных двигателей и может быть использовано для управления авиационными газотурбинными двухконтурными двигателями. Система управления положением направляющих аппаратов компрессора двухконтурного газотурбинного двигателя содержит привод направляющих аппаратов компрессора, блок формирования программного значения степени сжатия воздуха в вентиляторе, выход которого связан с первым входом элемента сравнения, второй вход которого связан с выходом делителя. Система оснащена блоком формирования приведенной частоты вращения ротора низкого давления, входы которого имеют возможность соединения с датчиками частоты вращения ротора низкого давления и температуры воздуха на входе в двигатель, а выход - с входом блока формирования программного значения степени сжатия воздуха в вентиляторе, последовательно соединенными блоками формирования приведенной частоты вращения ротора высокого давления, формирования программы ограничения положения направляющих аппаратов, логического ограничения, входы блока формирования приведенной частоты вращения ротора высокого давления имеют возможность соединения с датчиками частоты вращения ротора высокого давления и температуры воздуха на входе в двигатель, причем система снабжена блоком формирования программы ограничения положения направляющих аппаратов компрессора, вход которого связан с приводом направляющих аппаратов компрессора, а выход - со входом блока логического ограничения, входы делителя имеют возможность соединения с датчиками давления воздуха за и перед вентилятором, выход элемента сравнения связан с изодромным регулятором, выход которого связан со входом блока широтно-импульсной модуляции, выход которого связан с первым входом переключателя, со вторым входом которого связан выход блока логического ограничения, а выход переключателя связан с приводом направляющих аппаратов компрессора. Такое выполнение системы позволит обеспечить более эффективное функционирование ГТД за счет обеспечения оптимальной работы компрессора на всех режимах работы ГТД. 1 ил.

Система управления положением направляющих аппаратов компрессора двухконтурного газотурбинного двигателя, содержащая привод направляющих аппаратов компрессора, блок формирования программного значения степени сжатия воздуха в вентиляторе, выход которого связан с первым входом элемента сравнения, второй вход которого связан с выходом делителя, отличающаяся тем, что система оснащена блоком формирования приведенной частоты вращения ротора низкого давления, входы которого имеют возможность соединения с датчиками частоты вращения ротора низкого давления и температуры воздуха на входе в двигатель, а выход - с входом блока формирования программного значения степени сжатия воздуха в вентиляторе, последовательно соединенными блоками формирования приведенной частоты вращения ротора высокого давления, формирования программы ограничения положения направляющих аппаратов, логического ограничения, входы блока формирования приведенной частоты вращения ротора высокого давления имеют возможность соединения с датчиками частоты вращения ротора высокого давления и температуры воздуха на входе в двигатель, причем система снабжена блоком измерения положения направляющих аппаратов компрессора низкого давления, вход которого связан с приводом направляющих аппаратов компрессора, а выход - со входом блока логического ограничения, входы делителя имеют возможность соединения с датчиками давления воздуха за и перед вентилятором, выход элемента сравнения связан с изодромным регулятором, выход которого связан со входом блока широтно-импульсной модуляции, выход которого связан через усилитель с первым входом переключателя, со вторым входом которого связан выход блока логического ограничения, а выход переключателя связан с приводом направляющих аппаратов компрессора.