СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТУРБОМАШИНОЙ Российский патент 2015 года по МПК F02C9/20 

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области авиации в целом. В частности, изобретение относится к способу управления авиационным газотурбинным двигателем в случае всасывания воды или града в двигатель.

Как правило, работа газотурбинного двигателя регулируется электронным блоком управления, который выполняет основной цикл регулирования для сервоуправления совокупностью измерений (скорости, степени повышения давления (EPR),...), проводимых на двигателе, для заданной уставки, которая зависит от желаемой тяги, причем это выполняют путем воздействия на расход, с которым подают топливо в камеру сгорания.

Электронный блок управления также выполняет вспомогательные циклы управления для тех компонентов оборудования в двигателе, которые имеют изменяемую геометрию.

Термин «изменяемая геометрия» употребляется здесь для обозначения компонента оборудования, в котором размер, форму, положение и/или скорость можно изменять в зависимости от обнаруживаемых событий или определенных параметров, чтобы воздействовать на работу двигателя. Примеры компонентов оборудования, имеющего изменяемую геометрию, включают в себя клапаны для стравливания воздуха из компрессора (это может быть клапан с регулируемым открыванием), лопатки статора компрессора, которые имеют изменяемый шаг, лопатки турбины, для которых радиальный зазор на конце является изменяемым, и т.д.

В частности, известно управление углом наклона лопаток статора (также известных как поворотные лопатки статора (VSV)) в компрессоре в зависимости от малой скорости XN25R, которая сама зависит от скорости XN25 каскада высокого давления и температуры на входе в компрессор двигателя.

В случае всасывания воды или града двигателем температура T25, измеряемая соответствующим датчиком, уменьшается, что ведет к увеличению малой скорости, а значит и раскрытию лопаток в избыточной степени. Такое избыточное раскрытие может привести к помпажу компрессора.

Для того чтобы избежать этих недостатков, известно использование датчика для измерения температуры T25, который имеет инерционный сепаратор для защиты активного участка датчика от воды и града, чтобы тем самым избежать помех в случае всасывания воды или града. Тем не менее датчик этого типа имеет высокую стоимость.

Также были предложения придумать соотношения для управления углом раскрытия лопаток с запасом, который достаточен для того, чтобы избежать помпажа в случае нарушения измерения температуры T25. Как бы то ни было, жизнеспособность такого решения влечет за собой другие технические компромиссы.

Помимо этого, известны обнаружение всасывания воды или града в газотурбинном двигателе и адаптация работы двигателя при таких обстоятельствах. Например, в документе FR 2 681 377 предложено обнаружение всасывания воды в зависимости от разности между температурами воздуха на входе в компрессор (в этом документе эта температура обозначена символом T2) и на выходе из компрессора (T3). Если вода всасывается, то скорость двигателя увеличивается.

ЗАДАЧА И КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача изобретения состоит в том, чтобы предоставить способ управления газотурбинным двигателем, который не имеет, по меньшей мере, некоторых из вышеупомянутых недостатков. В частности, задача изобретения состоит в том, чтобы создать возможность использования датчика температуры, который не требует инерционного сепаратора.

С этой целью в изобретении предложен способ управления газотурбинным двигателем, включающий в себя:

этап, на котором измеряют первую температуру посредством первого датчика температуры;

этап, на котором измеряют вторую температуру посредством второго датчика температуры;

этап, на котором оценивают третью температуру, моделирующую упомянутую первую температуру; и

этап, на котором определяют, по меньшей мере, одну уставку управления, по меньшей мере, для одного компонента оборудования, имеющего изменяемую геометрию, двигателя в зависимости от упомянутой измеренной первой температуры;

причем способ отличается тем, что упомянутый первый датчик имеет первую постоянную С1 времени, большую, чем постоянная С2 второго датчика, и способ дополнительно включает в себя:

этап, на котором обнаруживают всасывание воды или града в зависимости от падения упомянутой измеренной второй температуры; и

при обнаружении всасывания воды или града, этап, на котором определяют упомянутую уставку управления в зависимости от упомянутой оцененной третьей температуры.

В случае всасывания воды или града газотурбинным двигателем первая и вторая температуры, измеряемые датчиками, падают. Точнее, вторая температура падает быстрее, чем первая температура, поскольку вторая температура имеет меньшую постоянную времени.

Более быстрое падение второй температуры делает возможным обнаружение всасывания воды или града до падения первой температуры, достаточного для нарушения определения уставки управления. Тогда - в ответ на обнаружение всасывания воды или града - становится возможным определение уставки управления в зависимости от третьей температуры, т.е. использование модели первой температуры вместо самой первой температуры, чтобы гарантировать, что продолжающееся падение первой температуры не нарушает определение уставки управления.

Таким образом, изобретение делает возможным использование первого датчика температуры, который может иметь постоянную времени, являющуюся относительно большой. Таким образом, первый датчик может иметь простую конструкцию и не требует инерционного сепаратора, вследствие чего может иметь малую стоимость. Кроме того, управляющее соотношение, которое позволяет определять уставку управления, не должно учитывать запас прочности, чтобы совладать с падениями первой температуры в случае всасывания воды.

В одном воплощении для множества компонентов оборудования определено множество уставок.

Первая температура может представлять собой температуру T25 на входе компрессора газотурбинного двигателя, а вторая температура может представлять собой температуру T3 на выходе из упомянутого компрессора.

В одном воплощении упомянутый первый датчик температуры не имеет инерционного сепаратора.

В качестве примера упомянутая уставка управления является уставкой угла для набора лопаток статора с изменяемым шагом упомянутого компрессора.

В одном варианте осуществления, когда всасывание воды или града не обнаруживается, этап определения включает в себя определение упомянутой уставки управления с помощью первого управляющего соотношения, а когда всасывание воды или града обнаруживается, этап определения включает в себя определение упомянутой уставки управления с помощью второго управляющего соотношения, которое отличается от первого, и при этом для заданной температуры на входе второе управляющее соотношение позволяет получить уставку угла, которая является более закрытой, чем у первого управляющего соотношения.

Соответственно, изобретение также предоставляет компьютерную программу, включающую в себя команды для осуществления описанного способа согласно изобретению, когда эту программу исполняет компьютер. Изобретение также предоставляет электронный блок для управления газотурбинным двигателем, включающий в себя запоминающее устройство, содержащее такую компьютерную программу.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение можно будет лучше понять по прочтении следующего описания, приводимого в качестве неограничительного указания и со ссылками на прилагаемые чертежи, при этом:

фиг. 1 - перспективное изображение газотурбинного двигателя;

фиг. 2 - схема, отображающая электронный блок управления в одном варианте осуществления изобретения; и

фиг. 3 - блок-схема средств управления для осуществления способа в одном воплощении изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение описывается ниже главным образом в контексте его применения к газовой турбине, представляющей собой маршевый двигатель самолета, например, такой, как показанный весьма схематично на фиг. 1. Тем не менее изобретение применимо и к другим газотурбинным двигателям, в частности турбинам для вертолетов, промышленным турбинам или турбинам для вспомогательных силовых установок (ВСУ).

Газотурбинный двигатель 6, показанный на фиг. 1, содержит камеру 1 сгорания, при этом газообразный продукт сгорания из камеры 1 приводит в действие турбину 2 высокого давления (ВД) и турбину 3 низкого давления (НД). Турбина 2 ВД соединена посредством вала с компрессором 4 ВД, питающим камеру 1 сгорания воздухом под давлением, а турбина 3 НД соединена посредством другого вала с компрессором 7 НД и с вентилятором 5 на входе в двигатель.

Работой двигателя 6 управляет электронный блок 20 управления, как изображено на чертеже согласно фиг. 2, причем этот блок проводит основной цикл регулирования для сервоуправления совокупностью измерений, проводимых на двигателе, с достижением заданной уставки в зависимости от желаемой тяги посредством воздействия на расход, с которым топливо подается в камеру 1 сгорания. Электронный блок также выполняет вспомогательные циклы регулирования для компонентов оборудования двигателя, которое имеет изменяемую геометрию.

Для этой цели электронный блок 20 управления получает сигналы, представляющие различные измеренные рабочие параметры, в частности:

температуру T25 на входе в компрессор 4 ВД;

температуру T3 на выходе из компрессора 4 ВД;

температуру T12 на входе вентилятора 5;

давление Pamb окружающей среды; и

скорость N1 вращения компрессора средства 7 управления НД и турбины 3 НД.

Электронный блок 20 управления имеет архитектуру аппаратного средства компьютера и содержит микропроцессор 21, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 22, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 23 и интерфейс 24. Во время работы микропроцессор 21 исполняет компьютерные программы, хранимые в ПЗУ 22, используя ОЗУ 23.

Интерфейс 24 позволяет электронному блоку 20 управления получать различные вышеописанные сигналы и получать сигналы, отображающие уставки, в определенные средства управления.

Температуры T25 и T3 измеряются датчиками температуры. Проводя измерения, датчики температуры обычно обладают некоторой величиной инерции, конкретной для каждого датчика, а эта инерция зависит, в частности, от материала, из которого сделан датчик, и от его массы (или размеров). Эта инерция порождает временной сдвиг между моментом, когда датчик проводит измерение, и моментом, когда датчик выдает сигнал в ответ на это измерение. При измерении существует «эффект торможения».

Как известно, инерцию датчика можно отобразить посредством постоянной времени. Например, в документе US 5080496 предложено цифровое моделирование инерции датчика с помощью фильтра, имеющего установочные параметры, определяемые посредством оценки постоянной времени датчика.

Температура T25 измеряется датчиком температуры, имеющим постоянную времени C1, а температура T3 измеряется датчиком температуры, имеющим постоянную времени C2, которая меньше, чем C1.

Например, максимальные допустимые значения для постоянной C1 времени, связанной с температурой T25, составляют:

60 секунд (с) для потока воздуха 20 килограммов в секунду на квадратный метр (кг/(с·м²));

34,2 с для потока воздуха 50 кг/(с·м²); и

18 с для расхода воздуха 350 кг/(с·м²);

тогда как максимальные допустимые значения для постоянных C2 времени, связанных с температурой T3, являются следующими:

4 с для расхода воздуха 20 кг/(с·м²);

1 с для расхода воздуха 50 кг/(с·м²); и

0,8 с для расхода воздуха 350 кг/(с·м²).

Специалист в данной области техники может заметить, что вышеупомянутые значения для постоянной времени C1 существенно больше, чем обычные значения в известных технических решениях.

Кроме того, электронный блок управления 20 может оценивать значения некоторых параметров с использованием моделей. Например, температуру T25 можно оценить посредством моделируемой температуры T25M. Модели для температуры T25M известны специалисту в данной области техники, так что нет необходимости описывать их подробно. Например, температуру T25M можно определить в зависимости от температуры T12, скорости N1 вращения и давления Pamb.

Как пояснялось выше, всасывание воды или града может нарушить работу двигателя 6. Таким образом, электронный блок 20 управления осуществляет способ обнаружения всасывания воды или града и адаптирует работу двигателя 6 при обнаружении всасывания.

Специалисту в данной области техники известны несколько способов обнаружения всасывания воды или града, и нет необходимости описывать их подробно. Например, всасывание можно обнаруживать исходя из падения температуры T3.

На фиг. 3 представлена блок-схема средств управления, обеспечивающая работу управляемого двигателя 6. В качестве примера отметим, что средства управления согласно фиг. 3 могут быть воплощены посредством электронного блока 20 управления, исполняющего компьютерную программу.

На фиг. 3 показан модуль 11 моделирования, модуль 12 обнаружения, селектор 13 и модуль 14 определения.

Модуль 11 моделирования моделирует температуру T25 и определяет температуру T25M, например в зависимости от температуры T12, скорости N1 вращения и давления Pamb.

Модуль 12 обнаружения служит для обнаружения всасывания воды или града в зависимости от температуры T3, T25 и T25M. Точнее, падение температуры T3 служит для обнаружения всасывания. Можно также использовать другие параметры.

Селектор 13 принимает в качестве входных сигналов температуры T25 и T25M вместе с выходным сигналом из модуля 12 обнаружения. Если модуль 12 обнаружения не указывает, что происходит всасывание, то селектор 13 выдает сигнал температуры T25. Если модуль 12 обнаружения указывает всасывание, то селектор 13 выдает сигнал температуры T25M.

Модуль 14 определения определяет уставку управления для компонента оборудования, имеющего изменяемую геометрию, в двигателе 6 в зависимости от входного значения, выдаваемого селектором 13. Иными словами, если всасывания нет, уставка управления определяется в зависимости температуры T25, а если всасывание, то вместо температуры T25 используется температура T25M. Естественно, модуль 14 определения также может использовать другие параметры для определения уставки управления.

Средства управления, показанные на фиг. 3, работают следующим образом.

В отсутствие всасывания воды или града селектор 13 выдает температуру T25 в модуль 14 определения.

В случае всасывания воды или града двигателем, происходит падение обеих температур T25 и T3, измеряемых датчиками. Точнее, температура T3 падает быстрее, чем температура T25, поскольку датчик для температуры T3 имеет постоянную времени C2, которая меньше, чем постоянная времени C1 датчика для температуры T25. В отличие от этого температура T25M не падает или, по меньшей мере, падает так, что это менее заметно, чем падение температуры T25, поскольку оно определяется в зависимости от параметров, которые претерпевают существенное возмущение из-за всасывания.

Более быстрое падение температуры T3 позволяет модулю 12 обнаружения обнаруживать, что всасывание воды или града произошло до падения температуры T25, достаточного для нарушения определения уставки управления посредством модуля 14 определения.

В ответ на обнаружение того, что произошло всасывание воды или града, селектор 13 переключается и таким образом выдает температуру T25M в модуль 14 определения. Тогда модуль 14 определения использует температуру T25M вместо температуры T25, чтобы определить уставку управления. Таким образом, продолжающееся падение температуры T25 не нарушает определение управляемой уставки.

Таким образом, поскольку датчик, измеряющий температуру T25, имеет постоянную времени C1, которая относительно велика, измеряемая температура T25 не падает быстро в случае всасывания воды, и эту температуру временно можно продолжать использовать для определения уставки управления до обнаружения всасывания. Таким образом, этот датчик может быть простым по конструкции, не требующим инерционного сепаратора, и может быть дешевым.

В качестве примера отметим, что модуль 14 определения определяет уставку угла для лопаток с изменяемым шагом компрессора 4 ВД, положения раскрывания для клапана стравливания и/или увеличения уставки, связанной с тягой. Ввиду относительно большой постоянной С1 времени и ввиду наличия селектора 13 входной сигнал, выдаваемый в модуль 14 определения, не претерпевает значительное падение в случае всасывания воды или града. Таким образом, модуль 14 определения не должен учитывать запас прочности, чтобы компенсировать падения измеряемой температуры Т25 в случае всасывания воды или града.

В варианте, который не показан, модуль 14 определения принимает в качестве входного сигнала - в дополнение к сигналу, выдаваемому селектором 13, - сигнал, выдаваемый модулем 12 обнаружения, и модуль 14 определения использует первое управляющее соотношение для определения уставки управления, когда всасывание воды отсутствует, и второе управляющее соотношение, отличающееся от первого, в случае всасывания воды. Для заданной температуры на входе второе управляющее соотношение предусматривает выдачу уставки угла, которая является более закрытой, чем у первого управляющего соотношения.

Таким образом, в этом варианте инициируется дополнительное закрытие в случае всасывания, чтобы компенсировать возросший риск помпажа при таких обстоятельствах.

Изобретение описано выше со ссылкой на воплощение, связанное с температурами Т25 и Т3. В одном варианте, изобретение применимо к двум другим температурам, изменяемым в других местах в газотурбинном двигателе.

Группа изобретений относится к способу управления турбомашиной, запоминающему устройству и электронному блоку. Способ включает в себя: этап, на котором измеряют первую температуру (Т25) посредством первого датчика температуры; этап, на котором измеряют вторую температуру (Т3) посредством второго датчика температуры; этап, на котором оценивают третью температуру (Т25М), моделирующую упомянутую первую температуру; и этап, на котором определяют, по меньшей мере, одну уставку управления, по меньшей мере, для одного компонента оборудования, имеющего изменяемую геометрию, двигателя в зависимости от упомянутой измеренной первой температуры; причем способ отличается тем, что упомянутый первый датчик имеет первую постоянную С1 времени, которая больше, чем постоянная С2 второго датчика, и способ дополнительно включает в себя: этап, на котором обнаруживают всасывание воды или града в зависимости от падения упомянутой измеренной второй температуры; и при обнаружении всасывания воды или града этап, на котором определяют упомянутую уставку управления в зависимости от упомянутой оцененной третьей температуры. Технический результат изобретения - предупреждение помпажа в случае нарушения измерения температуры. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ управления газотурбинным двигателем (6), включающий в себя:
этап, на котором измеряют первую температуру (Т25) посредством первого датчика температуры;
этап, на котором измеряют вторую температуру (Т3) посредством второго датчика температуры;
этап, на котором оценивают третью температуру (Т25М), моделирующую упомянутую первую температуру; и
этап, на котором определяют, по меньшей мере, одну уставку управления, по меньшей мере, для одного компонента, имеющего изменяемую геометрию оборудования, двигателя в зависимости от упомянутой измеренной первой температуры;
причем способ отличается тем, что упомянутый первый датчик имеет первую постоянную С1 времени большую, чем постоянная времени С2 второго датчика, и способ дополнительно включает в себя:
этап, на котором обнаруживают всасывание воды или града в зависимости от падения упомянутой измеренной второй температуры; и
при обнаружении всасывания воды или града, этап, на котором определяют упомянутую уставку управления для компонента, имеющего изменяемую геометрию оборудования, двигателя в зависимости от упомянутой оцененной третьей температуры.

2. Способ управления по п. 1, отличающийся тем, что первая температура представляет собой температуру Т25 на входе компрессора (4) газотурбинного двигателя, а вторая температура может представлять собой температуру Т3 на выходе упомянутого компрессора.

3. Способ управления по п. 2, отличающийся тем, что упомянутая уставка управления представляет собой уставку угла для набора лопаток статора с изменяемым шагом упомянутого компрессора.

4. Способ управления по п. 3, отличающийся тем, что, когда всасывание воды или града не обнаруживается, этап определения включает в себя определение упомянутой уставки управления с помощью первого управляющего соотношения, а когда всасывание воды или града обнаруживается, этап определения включает в себя определение упомянутой уставки управления с помощью второго управляющего соотношения, которое отличается от первого, и при этом для заданной температуры на входе второе управляющее соотношение дает уставку угла, инициирующую дополнительное закрытие по сравнению с первым управляющим соотношением.

5. Запоминающее устройство (22), содержащее компьютерную программу, включающую в себя команды для осуществления способа по п. 1, когда эту программу исполняет компьютер.

6. Электронный блок (20) для управления газотурбинным двигателем, включающий в себя запоминающее устройство (22) по п. 5.