ТЕСТ НА ОТСУТСТВИЕ ГАШЕНИЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2015 года по МПК G01M15/14 

Настоящее изобретение относится к области термодинамики газотурбинных двигателей и, в частности, касается работы авиационных газотурбинных двигателей.

Классически газотурбинные двигатели содержат один или несколько компрессоров, которые сжимают воздух, всасываемый через воздухозаборник, камеру сгорания, в которой сгорает топливо, смешиваемое с воздухом, одну или несколько турбин, которые отбирают часть мощности, создаваемой при горении, для вращения компрессора или компрессоров, и реактивное сопло, через которое выходят отработавшие газы.

Авиационные газотурбинные двигатели применяют в широкой области полетов, когда их работа должна быть гарантированной, чтобы обеспечивать безопасность экипажа и возможных пассажиров. В частности, необходимо избегать самовыключения турбореактивного двигателя самолета или газотурбинного двигателя вертолета во время действия, совершаемого пилотом. Такое гашение пламени в камере сгорания может произойти, например, когда пилот совершает действие быстрого понижения производимой тяги или мощности. Этот тип действия может понадобиться в аварийной ситуации, когда пилот на самолете хочет резко снизить его скорость или на вертолете пытается резко сбросить газ, например, чтобы обойти внезапно возникшее на его пути препятствие (так называемой маневр “quick stop” или быстрое торможение).

При нормальной работе предусмотрено регулирование двигателя для управления расходом топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, и для предупреждения такого гашения. Однако в случае нарушения такого регулирования или изменения физических характеристик деталей двигателя, такое гашение не исключено. Такое нарушение может произойти при старении двигателя, в результате которого происходят изменения в зазорах или в размере впускных воздушных отверстий или в системе впрыска и регулирования топлива. Это выражается в попадании в камеру количества воздуха, превышающего требуемое, или во впрыске в камеру количества топлива, меньшего требуемого, и, следовательно, в обеднении смеси.

Во время быстрого торможения резкое уменьшение расхода топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, выражается моментальным изменением состава смеси. Действительно, уменьшение расхода топлива является почти мгновенным, когда золотник, управляющий расходом топлива, переводят на закрытие, тогда как снижение расхода воздуха следует снижению скорости вращения ведущего вала, изменение которой ограничено инерцией ротора и, следовательно, не является моментальным. Состав горючей смеси резко меняется от своего номинального значения к значению обеднения, которое может опять стать номинальным, только когда режим двигателя стабилизируется в своем новом значении. Однако устойчивость пламени в камере сгорания обеспечивается, только если состав смеси находится в пределах между двумя крайними значениями: так называемым значением гашения от переобогащения и так называемым значением гашения от переобеднения.

В случае маневра экстренного быстрого торможения, если двигатель неисправен по одной из вышеупомянутых причин, степень обогащения смеси может упасть ниже значения гашения от переобеднения и двигатель может выключиться. В настоящее время только стендовое испытание позволяет произвести соответствующую диагностику, чтобы проверить способность двигателя противостоять этому явлению гашения во время этих экстренных действий. Кроме того, его осуществляют только при приемке новых двигателей. В дальнейшем двигатели проверяют только при капитальном техническом обслуживании на заводе. Если характеристики двигателя изменяются, риск отказа остается абсолютно незаметным при нормальной эксплуатации, так как нормальные уменьшения режима не являются такими резкими, как при вышеупомянутых экстренных действиях, поскольку степень обогащения смеси не опускается до предела гашения от переобеднения. Вместе с тем, двигатель может отключиться, если пилоту придется осуществить такой экстренный маневр, то есть именно в тот момент, когда двигатель ему нужен как никогда.

Настоящее изобретение призвано устранить эти недостатки и предложить способ, реализуемый на летательном аппарате на земле и предназначенный для контроля нормальной работы двигателя для случая, когда может понадобиться быстрое торможение во время полета. Этот способ позволяет также оценить наличие возможной деградации камеры сгорания.

В связи с этим, объектом настоящего изобретения является способ наземного контроля функции предупреждения гашения пламени системы регулирования расхода топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания авиационного газотурбинного двигателя, при этом упомянутой системой управляют посредством вычислителя, передающего ей заданное значение (WF) расхода впрыска, при этом упомянутое значение превышает минимальное значение (WFMIN), заранее определенное упомянутым вычислителем, чтобы избегать рисков гашения в случае быстрого понижения заданного значения расхода, отличающийся тем, что содержит осуществление - на работающем газотурбинном двигателе и начиная от определенного режима - уменьшения расхода топлива по запрограммированному понижению для достижения заданного значения расхода, меньшего минимального значения, соответствующего рассматриваемой работе на земле, с последующей проверкой отсутствия гашения камеры сгорания с целью оценки стойкости к гашению камеры сгорания упомянутого газотурбинного двигателя во время маневра быстрого сброса его оборотов в полете.

Тест состоит в том, чтобы отслеживать возможное гашение камеры сгорания во время такого действия и чтобы сделать вывод, может ли двигатель выдерживать маневр быстрого торможения в полете.

Предпочтительно понижение автоматически осуществляет вычислителем двигателя в результате приведения в действие пилотом или механиком соответствующего органа управления, связанного с упомянутым вычислителем.

Таким образом, убеждаются, чтобы осуществляемое понижение точно следовало номинальному понижению при испытании. При этом ограничивают также сложность реализации испытания для пилотов и/или механиков.

Предпочтительно режим двигателя в начале контроля модулируют в зависимости от условий температуры и давления на месте осуществления упомянутого контроля нормальной работы.

Предпочтительно также степень понижения расхода топлива во время контроля модулируют в зависимости от условий температуры и давления на месте осуществления упомянутого контроля нормальной работы.

Это позволяет учитывать особые характеристики места, где происходит тест, и, следовательно, осуществлять его в условиях, характерных для работы камеры сгорания.

Объектом изобретения является также способ определения предельного значения понижения расхода топлива, начиная от которого происходит гашение камеры сгорания авиационного газотурбинного двигателя, посредством осуществления нескольких вышеуказанных проверок, при этом применяемые степени снижения каждый раз повышают по отношению к предыдущему контролю.

Предпочтительно расход топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, адаптируют в зависимости от предела гашения, определенного при помощи описанного выше способа.

Наконец, объектом изобретения является вычислитель регулирования расхода топлива, впрыскиваемого в авиационный газотурбинный двигатель, в который устанавливают модуль для осуществления одного из описанных выше способов, а также газотурбинный двигатель, содержащий такой вычислитель.

Настоящее изобретение, другие его цели, детали, отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего подробного описания варианта выполнения изобретения, представленного в качестве исключительно иллюстративного и не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемый схематичный чертеж.

На фиг.1 показаны скорость (NG) газогенератора, заданное значение расхода (WF), регулируемое вычислителем, и ограничителем минимального расхода (WFMIN), задаваемым вычислителем во время теста на отсутствие гашения.

Заданное значение расхода является значением расхода, задаваемым вычислителем системе регулирования, которая действует на положение дозатора топлива. Значение минимального расхода является минимальным значением, определяемым вычислителем, которое фиксирует нижний ограничитель заданного значения расхода, передаваемого вычислителем. Гашение или отсутствие гашения камеры сгорания в случае быстрого уменьшения режима связаны с нормальной установкой этого минимального значения.

Изменение параметров, показанное на фиг.1, разбито на три фазы, обозначенные φ1, φ2 и φ3. Фаза 1 соответствует фазе подготовки теста, во время которой пилот отображает режим, определенный заранее (как правило, 90% от значения при полном газе), и выжидает, пока этот режим стабилизируется. Эту стабилизацию отслеживают вычислителем, который разрешает начать фазу 2, только если эта стабилизация реально достигнута. Фаза 2 соответствует запуску теста вычислителем в ответ на команду пилота или механика, а фаза 3 соответствует возврату к нормальной работе на малых оборотах после теста. Запуск фазы 2 сопровождается калиброванным понижением заданного значения минимального расхода WFMIN ниже значения, определенного вычислителем для нормальной эксплуатации.

Во время фазы 1, поскольку режим стабилизировался на 90%, заданное значение расхода, передаваемое вычислителем, после стабилизации режима является постоянным и равным расходу, необходимому для поддерживания этого значения режима; заданное значение минимального расхода, которое соответствует максимальному понижению, допускаемому вычислителем в случае резкого уменьшения оборотов двигателя, тоже является стабильным и равным значению при нормальной работе.

Когда вычислитель запускает тест, это выражается резким уменьшением заданного значения расхода и его приведением к значению минимального расхода, которое запрограммировано в вычислителе для теста и которое, как было указано выше, произвольно устанавливают в значении, меньшем того, которое имел бы расход при нормальной работе. Это уменьшенное значение заданного минимального расхода точно соответствует тому, которое необходимо протестировать, то есть при котором необходимо проверить отсутствие самовыключения двигателя во время экстренного действия. Режим двигателя быстро понижается во взаимосвязи с инерцией его вращающихся деталей и стабилизируется в случае, представленном на фиг.1, когда действительно не происходит гашения, на данном значении, меньшем значения малого газа.

Фаза 3 соответствует возврату к нормальным условиям с остановкой теста, которая выражается повышением заданного значения расхода до значения, соответствующего малому газу. Повышение заданного значения расхода приводит к увеличению режима двигателя до режима малого газа, при котором он опять стабилизируется. Что касается заданного значения минимального расхода, то оно остается постоянным, за исключением некоторых переходных колебаний.

Для решения поставленной задачи изобретением предлагается установить в вычислителе двигателя, который в любой момент управляет расходом топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, модуль, активация которого запускает специфическую процедуру теста на отсутствие гашения, осуществляемого на земле при работающем двигателе, например, в стационарной точке, то есть во время контроля нормальной работы двигателя, осуществляемого при каждом полете перед взлетом.

Этот тест состоит в запрограммированном уменьшении количества впрыскиваемого топлива таким образом, чтобы имитировать понижение расхода во время экстренного действия, такого как быстрое торможение, и воспроизвести условия состава топливно-воздушной смеси, близкие к условиям, которые возникали бы при таком действии. Уменьшение количества впрыскиваемого топлива осуществляют посредством резкого понижения заданного значения расхода WF, передаваемого вычислителем в систему регулирования, которая управляет положением дозатора, и моментального приведения этого заданного значения WF к заранее определенному минимальному заданному значению WFMIN. Это понижение осуществляют до значения WFMIN, которое меньше заданного значения минимального расхода, применяемого при нормальной работе, чтобы имитировать минимальное отношение топлива к воздуху, через которое может пройти камера сгорания во время действия типа быстрого торможения. Это заданное значение минимального расхода, применяемое для теста, определяет конструкторское бюро во время проектирования двигателя на основании расчетов работы камеры или на основании записей, осуществленных на летательном аппарате во время летных испытаний. Его модулируют в зависимости от условий, в которых происходит этот тест, например, таких как высота аэродрома, на котором находится летательный аппарат, атмосферные условия и т.д. Это модулирование значения, придаваемого минимальному расходу WFMIN во время теста, касается, кроме всего прочего, значения режима двигателя, устанавливаемого в начале теста на отсутствие гашения.

Процедура протекает следующим образом: в зависимости от периодичности, установленной в руководстве по летной эксплуатации или в руководстве по техническому обслуживанию, пилот начинает действие, имитирующее быстрое торможение, посредством воздействия на специальный орган управления, связанный с вычислителем двигателя. Этот вычислитель начинает запрограммированное понижение, задавая значение расхода WF, равное заданному значению минимального расхода WFMIN, заранее определенному для теста, что выражается в перемещении, в направлении закрытия, золотника управления расходом топлива, и пилот проверяет, происходит или нет гашение камеры сгорания. Если гашение не происходит, считают, что двигатель соответствует номинальным условиям, и можно производить полет. Таким образом, пилот знает, что двигатель работоспособен, в том что касается рисков при быстром торможении, и что он может осуществлять такое экстренное действие без риска, если в ходе полета возникнет такая необходимость.

Если во время теста на земле происходит гашение, это значит, что двигатель не соответствует нормальным условиям работы и что необходимо предусмотреть операцию технического обслуживания перед получением разрешения на возобновление полета. Такую операцию технического обслуживания уточняют в руководстве по эксплуатации двигателя, и она может, например, предусматривать снятие двигателя и его отправку на завод. Причину плохой работы будут выявлять как на уровне неисправности системы регулирования и впрыска топлива, так и на уровне снижения характеристик камеры сгорания, например, по причине ее износа.

В рамках этого теста на отсутствие гашения могут быть также предложены дополнительные анализы: можно предусмотреть выявление предела гашения путем нескольких испытаний, затем, в зависимости от найденного значения минимального расхода топлива WFMIN, обеспечивающего отсутствие гашения, адаптируют законы работы вычислителя, чтобы учитывать отмеченное снижение характеристик. Максимальное понижение расхода топлива, установленного вычислителем для нормальной эксплуатации, ограничивают, чтобы гарантировать отсутствие гашения; следовательно, можно продолжать без риска эксплуатировать двигатель, не прибегая к его снятию и к установке работоспособного двигателя на летательном аппарате.

Способ наземного контроля нормальной работы установленного на самолете авиационного газотурбинного двигателя. Для этого производят испытание, которое содержит осуществление - на работающем газотурбинном двигателе и начиная от определенного режима - быстрого уменьшения расхода топлива по запрограммированному понижению с целью оценки стойкости к самогашению камеры сгорания упомянутого газотурбинного двигателя во время быстрого сброса его оборотов в полете. Технический результат - повышение надежности диагностики газотурбинного двигателя. 5 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ наземного контроля функции предупреждения гашения пламени системы регулирования расхода топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания авиационного газотурбинного двигателя, при этом упомянутой системой управляют посредством вычислителя, передающего ей заданное значение (WF) расхода впрыска, при этом упомянутое значение превышает минимальное значение (WFMIN), заранее определенное упомянутым вычислителем, чтобы избегать рисков гашения в случае быстрого понижения заданного значения расхода, отличающийся тем, что содержит осуществление - на работающем газотурбинном двигателе и начиная от определенного режима - уменьшения расхода топлива по запрограммированному понижению для достижения заданного значения расхода, меньшего минимального значения, соответствующего рассматриваемой работе на земле, с последующей проверкой отсутствия гашения камеры сгорания.

2. Способ по п.1, в котором понижение автоматически осуществляют вычислителем двигателя в результате приведения в действие пилотом или механиком соответствующего органа управления, связанного с упомянутым вычислителем.

3. Способ по п.1, в котором режим двигателя в начале контроля модулируют в зависимости от условий температуры и давления на месте осуществления упомянутого контроля нормальной работы.

4. Способ по п.1, в котором понижение расхода топлива во время контроля модулируют в зависимости от условий температуры и давления на месте осуществления упомянутого контроля нормальной работы.

5. Способ определения предельного значения понижения расхода топлива, начиная с которого происходит гашение камеры сгорания авиационного газотурбинного двигателя, посредством последовательного осуществления нескольких проверок по одному из пп.1-4, при этом применяемые понижения каждый раз повышают по отношению к предыдущему контролю.

6. Способ регулирования расхода топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания авиационного газотурбинного двигателя, в котором расход топлива адаптируют в зависимости от предела гашения, определенного при помощи способа по п.5.

7. Вычислитель регулирования расхода топлива, впрыскиваемого в авиационный газотурбинный двигатель, в который устанавливают модуль для осуществления способа по одному из пп.1-4.

8. Авиационный газотурбинный двигатель, содержащий вычислитель по предыдущему пункту.