ОБНАРУЖЕНИЕ ЗАБОРСА ОБОРОТОВ СВОБОДНОЙ ТУРБИНЫ ПОСРЕДСТВОМ ИЗМЕРЕНИЯ НА МОМЕНТОМЕРЕ Российский патент 2015 года по МПК F02C9/46 

Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей и, в частности, касается защиты свободных турбин газотурбинных двигателей.

Газотурбинные двигатели широко распространены и служат для обеспечения полета летательных аппаратов и, в частности, для обеспечения создания тяги и подъемной силы вертолетов. Эти двигатели содержат газогенератор, содержащий, кроме всего прочего, вдоль приводного вала один или несколько компрессоров, кольцевую камеру сгорания, охватывающую вал, и одну или несколько турбин, называемых связанными турбинами, которые вращают компрессор или компрессоры через приводной вал. На выходе этого генератора газы поступают на турбинное колесо, называемое свободной турбиной, которое связано с силовым валом, отличным от приводного вала генератора, и которое выдает полезную мощность для создания тяги и/или подъемной силы. Все элементы, находящиеся за камерой сгорания, в том числе сама камера и свободная турбина, называются горячими частями, при этом все другие элементы, наоборот, считаются холодными частями.

При проектировании газотурбинного двигателя следует учитывать риск поломки вала свободной турбины, так как в этих условиях мощность, передаваемая газами на турбину, перестает потребляться агрегатами, вращаемыми этим валом, и происходит заброс оборотов свободной турбины. Такой заброс оборотов очень быстро приводит к поломке лопаток и/или к их отделению от турбинного диска. При этом происходит сильный выброс этих лопаток наружу за счет центробежной силы, и они могут пробить охватывающий турбину картер, что чревато сильными разрушениями в двигателе и может даже создать угрозу для летательного аппарата и его пассажиров.

Следовательно, конструкторы авиационных двигателей должны предупреждать последствия такого заброса оборотов. Известным способом обеспечения необходимой защиты является установка вокруг турбины удерживающего кольца, которое может поглощать энергию отделившихся лопаток и обеспечивать их изоляцию внутри двигателя. Разумеется, использование такого устройства приводит к существенному увеличению массы.

Были предложены устройства обнаружения заброса оборотов при помощи одного или нескольких датчиков скорости вращения турбинного колеса и блока обработки сигнала или любой другой программируемой логической системы, которая при появлении заброса оборотов влияет на регулирование газогенератора с целью уменьшения или прекращения подачи топлива. При применении для двигателя, не оборудованного удерживающим кольцом, это устройство должно предупреждать риск поломки вала, находящегося внутри двигателя. Недостатком является то, что это требует установки датчика вблизи свободной турбины, то есть в закрытом пространстве, где температура является исключительно высокой. Действительно, нельзя устанавливать датчик скорости на конце вала, противоположном свободной турбине, так как в этом случае он не обнаружит поломки вала, если она произойдет между свободной турбиной и точкой нахождения датчика. Кроме этих сложных проблем установки датчиков в горячих пространствах, следует учитывать также, что используемые датчики работают в условиях окружающей среды, отрицательно сказывающихся на функции, к которой предъявляются строгие требования надежности. Поскольку работа в такой окружающей среде не способствует их надежности и сокращает их срок службы, то, с учетом недостаточной надежности этих датчиков, встает проблема наличия функции защиты.

Известны устройства обнаружения заброса оборотов посредством измерения крутящего момента, создаваемого турбиной газотурбинного двигателя, например, раскрытые в патентных заявках US 2912822 или US 5363317, или в патентной заявке FR 2931552, поданной на имя заявителя. Недостатком этих решений является то, что в них используют либо механические устройства для измерения крутящего момента, в которых время реакции, хотя и не уточненное, является относительно долгим с учетом применяемой технологии, либо устройства, использующие измерение скорости вращения. Они не адаптированы для обнаружения заброса оборотов на свободной турбине, которая может резко пойти в разнос в случае разрыва вращаемого ею вала, если обнаружение не произошло в исключительно короткий срок.

Система обнаружения заброса оборотов свободной турбины двигателя вертолета должна в основном предусматривать 3 типа событий:

- разнос двигателя, бесконтрольно выдающего мощность, превышающую необходимую мощность,

- поломка, за пределами двигателя, муфты соединения с кинематической цепью вертолета,

- поломка внутри двигателя муфты соединения между свободной турбиной и выходным валом. Под поломкой внутри двигателя следует понимать разрыв между свободной турбиной и моментомером, а также разрыв вала самого моментомера.

Два первых случая можно предупреждать за счет прямого отслеживания скорости вращения выходного вала. Однако третий случай императивно требует измерения в горячей части.

Задачей настоящего изобретения является устранение этих недостатков и разработка устройства предупреждения заброса оборотов свободной турбины в случае поломки ее вала, которое не имеет недостатков известных технических решений и позволяет очень быстро уменьшить подачу топлива в упомянутый газогенератор во время обнаружения такой поломки.

В связи с этим, объектом изобретения является устройство защиты от заброса оборотов свободной турбины газотурбинного двигателя, содержащего газогенератор, содержащий по меньшей мере один компрессор, камеру сгорания, по меньшей мере одну связанную турбину и систему регулирования впрыска топлива в упомянутую камеру сгорания, при этом газы, выходящие из упомянутого газогенератора, попадают на упомянутую свободную турбину, при этом упомянутое устройство содержит по меньшей мере одно средство измерения крутящего момента, установленное на выходном валу, механически соединенном с упомянутой свободной турбиной, и блок обработки сигнала, выполненный с возможностью передачи команды на уменьшение подачи топлива в упомянутую систему регулирования газотурбинного двигателя в случае обнаружения падения крутящего момента ниже заданного значения, отличающееся тем, что измерение крутящего момента, используемое для включения упомянутого уменьшения, осуществляют во время вращения, соответствующего доле оборота упомянутого выходного вала.

Использование устройства моментомера, которое позволяет одновременно получать скорость вала и значения передаваемого крутящего момента и которое характеризуется исключительно коротким временем реакции, обеспечивает практически моментальное обнаружение поломки внутреннего вала турбины и, следовательно, возможность вмешательства посредством регулирования до того, как свободная турбина достигнет неприемлемой скорости вращения. В этой связи можно отметить, что моментомер позволяет также производить измерение скорости вала.

Предпочтительно средство измерения является моментомером с акустическими колесами, при этом долю оборота определяют по сектору между двумя последовательными зубьями упомянутого акустического колеса.

В первом варианте выполнения упомянутое измерение крутящего момента обновляют для каждой новой доли оборота. Таким образом чрезвычайно быстро получают информацию о динамике крутящего момента, которая позволяет обнаружить заброс оборотов в режиме полного газа.

Предпочтительно уменьшение подачи топлива производят, только если значение крутящего момента падает ниже первого заданного значения в заранее определенном первом интервале времени.

Предпочтительно первый интервал времени меньше или равен 5 мс.

Предпочтительно упомянутый блок обработки запускает упомянутое уменьшение подачи топлива в этом первом варианте выполнения, только если измеренная мощность превышает или равна, по существу, 50% от максимальной мощности при взлете.

Во втором варианте выполнения упомянутое измерение получают посредством определения скользящего среднего из значений, измеренных во время вращения по меньшей мере за один оборот упомянутого выходного вала. Эта усредненная информация, которую можно получить за один оборот или за целое число оборотов, соответствует обнаружению заброса оборотов при работе в промежуточном режиме.

Предпочтительно уменьшение подачи топлива производят, только если значение крутящего момента падает ниже второго заданного значения в заранее определенном втором интервале времени.

Предпочтительно второй интервал времени меньше или равен 10 мс.

Предпочтительно упомянутый блок обработки запускает упомянутое уменьшение подачи топлива в этом втором варианте выполнения, только если измеренная мощность составляет, по существу, от 25 до 50% от максимальной мощности при взлете.

В другом варианте выполнения упомянутый блок обработки запускает также уменьшение подачи топлива, если измеренная мощность меньше по существу 25% от максимальной мощности при взлете и если моментальное измерение крутящего момента становится меньше третьего заданного значения, при этом упомянутое заданное значение зависит от скорости вращения газогенератора.

Предпочтительно средство измерения крутящего момента содержит два моментомера с акустическими колесами и с несцепленными зубьями, и упомянутый блок обработки запускает также уменьшение подачи топлива в случае обнаружения разности скорости между двумя акустическими колесами.

Объектом изобретения является также вычислительная машина, содержащая блок обработки сигнала или программируемую логическую систему, выполненную с возможностью передачи команды на уменьшение подачи топлива в упомянутую систему регулирования газотурбинного двигателя, оборудованного описанным выше устройством, в случае обнаружения падения крутящего момента ниже заданного значения. Наконец, его объектом является газотурбинный двигатель, содержащий описанное выше устройство защиты от заброса оборотов его свободной турбины.

Изобретение, его задачи, детали, отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего подробного описания варианта его выполнения, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые схематичные чертежи.

Фиг.1 изображает схематичный вид в разрезе газотурбинного двигателя со свободной турбиной, оборудованного моментомером в соответствии с изобретением.

Фиг.2 - схематичный вид в разрезе газотурбинного двигателя со свободной турбиной без редуктора, оборудованного моментомером в соответствии с изобретением.

Фиг.3 - схему изменения в зависимости от времени крутящего момента, измеряемого на выходном силовом валу газотурбинного двигателя при помощи первого метода измерения в соответствии с изобретением, во время поломки вала свободной турбины, при этом газотурбинный двигатель развивает высокую мощность.

Фиг.4 - схему изменения в зависимости от времени крутящего момента, измеряемого на выходном силовом валу газотурбинного двигателя при помощи второго метода измерения в соответствии с изобретением, во время поломки вала свободной турбины, при этом газотурбинный двигатель работает с промежуточной мощностью.

На Фиг.1 показан газотурбинный двигатель, классически содержащий компрессор 1, камеру 3 сгорания, из которой газы поступают в связанную турбину 4. Связанная турбина жестко соединена с компрессором через вал 7, называемый приводным валом. На выходе связанной турбины газы поступают на свободную турбину 6, на которой установлен силовой вал 8, проходящий обратно в сторону входа газотурбинного двигателя через приводной вал 7.

В примере, представленном на Фиг.1, силовой вал 8 заходит в коробку агрегатов, где он вращает множество агрегатов через специальные приводные валики и в представленном случае вертолета - через редукторный модуль 10, встроенный в двигатель, откуда выходит вал привода кинематической цепи вертолета, называемый выходным валом 11.

На этом выходном валу 11 установлен моментомер 12, схематично показанный на Фиг.1, который постоянно измеряет значение крутящего момента, передаваемого свободной турбиной 6 на этот выходной вал 11. Он связан с блоком обработки сигнала, установленным в вычислительной машине (не показана) и предназначенным для подачи тревожного сигнала на основании измеренного крутящего момента в случае поломки силового вала 8. Этот моментомер может быть классическим моментомером с тензометрическими датчиками или предпочтительно моментомером, работающим на основании измерения смещения фазы, существующего между двумя акустическими колесами, которые расположены с двух сторон от гибкой торсионной части выходного вала 11. Такой моментомер может быть так называемым моментомером со сцепленными зубьями с одним акустическим колесом или с несцепленными зубьями с двумя акустическими колесами, расположенными на двух концах части вала, которая может деформироваться от кручения (называемой валом моментомера). Представленный моментомер 12 является моментомером со сцепленными зубьями и установлен на выходном валу 11 на уровне так называемой выходной шестерни, через которую силовой вал 8 вращает выходной вал 11.

На Фиг.2 показана конфигурация, аналогичная показанной на Фиг.1, в которой изобретение применяется на двигателе без редуктора с моментомером, непосредственно установленным на силовом валу 8. Элементы, идентичные с элементами на Фиг.1, обозначены такими же позициями, и их описание опускается.

На Фиг.3 и 4 сплошной линией показаны изменения, в зависимости от времени, крутящего момента, измеряемого моментомером 12, при поломке силового вала 8. На Фиг.3 газогенератор находится перед поломкой в точке высокой мощности, близкой к максимальной взлетной мощности (МВМ). На Фиг.4 газогенератор работает перед поломкой на промежуточной мощности, составляющей от 25 до 50% от максимальной мощности МВМ. На фигурах пунктиром показана также кривая, показывающая значения крутящего момента, сохраняемые в вычислительном устройстве регулирования газотурбинного двигателя. Эти значения используют для индикации работы двигателя, предоставляемой пилоту, и для регулирования газотурбинного двигателя, но не используют для обнаружения поломки вала; действительно, стремление к повышению точности приводит к более медленной динамике измерения с учетом времени интегрирования и фильтрации. На фигурах видно, что эти значения не снижаются достаточно быстро, чтобы служить базой для обнаружения поломки силового вала 8.

На Фиг.3 сплошная кривая показывает обработку измерений смещения фазы, осуществляемых при прохождении трех последовательных зубьев на двух акустических колесах, что в нашем примере с акустическими колесами, каждое из которых содержит 4 зуба, соответствует повороту вала на четверть оборота. Следует отметить, что измерение на трех последовательных зубьях является наиболее быстрым из всех доступных. Доля оборота, на которой производят измерение, в данном случае определена угловым сектором между двумя последовательными зубьями одного из двух акустических колес. На Фиг.4 сплошная кривая показывает обработку осуществленных измерений в виде скользящего измерения за полный оборот вала, при этом измерение обновляется для каждой четверти оборота.

В примере, представленном на Фиг.3, измеряемый крутящий момент очень резко уменьшается, и его величина, измеренная за четверть оборота, достигает минимального значения примерно за 5 мс. Измеряемая величина колеблется затем вокруг этого минимального значения, при этом релаксационные колебания соответствуют реакции при кручении линии вала, которая остается соединенной с моментомером 12. Это значение в 5 мс является достаточно малым, чтобы быть совместимым с требованиями, предъявляемыми к времени реакции для устройства защиты двигателя после поломки силового вала 8. При этом информация направляется через специальный блок обработки в систему регулирования газотурбинного двигателя с целью резкого уменьшения количества подаваемого в него топлива. По существу, моментальное снижение мощности, передаваемой на свободную турбину, не позволяет ей достичь стадии ярко выраженного заброса оборотов. Поскольку максимальная скорость вращения, достигаемая после поломки, остается ограниченной, механическую прочность лопаток можно гарантировать простым соответствующим определением размеров их креплений или, в крайнем случае, применением удерживающего кольца ограниченного веса.

На Фиг.4 видно, что время измерения крутящего момента при достижении его минимального значения составляет примерно 10 мс. При этом также отмечается, что уровень колебаний после достижения первого минимального уровня имеет существенно меньший размах, чем колебания, отмеченные на Фиг.3. Соотношение между амплитудой измеренных колебаний и значением, на которое уменьшается крутящий момент для достижения первого минимального значения после поломки вала, в этом последнем случае гораздо меньше, чем в предыдущем случае. При этом время обнаружения оказывается длиннее, но это вполне допустимо, так как применяется при промежуточных мощностях.

С учетом этих выводов изобретение определяет правила для обнаружения поломки вала, различая при этом случай работы газотурбинного двигателя с высокой мощностью (априорно взятой выше 50% от МВМ, хотя это значение и не является императивным) и случай работы с промежуточной мощностью (25-50% от МВМ).

В первом случае устройство, предназначенное для обнаружения поломки, отслеживает изменение крутящего момента с измерением на минимальной доле оборота, позволяющей произвести измерение. Поломка считается обнаруженной, когда газотурбинный двигатель по-прежнему работает на этой высокой мощности, а измеряемый крутящий момент становится ниже заранее определенного порога в данном временном окне. Этот порог обнаружения является фиксированным с соответствующими пределами, один из которых имеет значение, достаточно удаленное от исходного значения, чтобы обеспечивать надежное обнаружение, и другое значение, достаточно близкое, чтобы избежать возмущений, связанных с релаксационными колебаниями.

В случае работы в промежуточном режиме скачок значения крутящего момента, наблюдаемый после достижения первого минимального значения, привел бы к слишком слабой разнице, чтобы можно было надежно определить порог обнаружения, если сохранить то же правило и тот же метод измерения крутящего момента. Поэтому для случаев работы в промежуточных режимах изобретением предусмотрено значение крутящего момента, вычисляемое на основании среднего из получаемых значений при скользящем измерении за оборот вала, при этом измеренное значение обновляют для каждой новой доли оборота, позволяющей получить новую информацию о смещении фазы. Поскольку в этом случае скачок будет более слабым, чем ранее, то, как и в предыдущем случае, можно определить порог обнаружения, который гарантирует реальность поломки без подачи ложного тревожного сигнала.

Следствием применения этого метода вместо метода, применяемого на высоких мощностях, является то, что пороговое значение достигается позже, чем в предыдущем случае (10 мс вместо 5). Но поскольку развиваемая в этом случае мощность является меньшей, угловое ускорение свободной турбины после поломки на столько же уменьшается. При этом последующий заброс оборотов является достаточно ограниченным, чтобы гарантировать механическую прочность турбины, несмотря на это небольшое запаздывание в обнаружении поломки.

Можно также применять отслеживание на режимах малых оборотов (менее 25% от МВМ), установив, например, теоретическое правило, априорно являющееся, по существу, линейным, которое позволяет определить минимальный крутящий момент, прикладываемый к выходному валу 11 при нормальной работе, в зависимости от скорости вращения газогенератора и затем на основании этой кривой определить смещенную вниз кривую допустимого отклонения, чтобы получить порог обнаружения поломки. Если измеренный крутящий момент становится ниже этого порога, значит произошла поломка, и необходимо направить в вычислительное устройство регулирования газогенератора тревожный сигнал для уменьшения количества впрыскиваемого топлива.

Такой метод неизбежно потребует введения в программу вычисления срабатывания тревоги сроков обнаружения, превышающих сроки, наблюдаемые при описанных методах для высоких и промежуточных мощностей. Однако и в этом случае, поскольку исходная мощность является низкой, заброс оборотов свободной турбины будет очень ограниченным и останется совместимым с мерами, предпринятыми для обеспечения ее механической прочности.

В качестве варианта можно заменить описанные выше пороги уровня крутящего момента порогами градиентов снижения крутящего момента, начиная от значения до поломки.

В частном варианте выполнения изобретения моментомер 12 является моментомером с двумя акустическими колесами и с несцепленными зубьями, при этом каждое колесо неподвижно соединено с концом вала моментомера. В этом варианте обнаружение поломки самого вала моментомера обеспечивается за счет обнаружения разности скорости между двумя акустическими колесами.

Несмотря на то, что изобретение было описано для частного варианта выполнения, представляется очевидным, что оно охватывает все технические эквиваленты описанных средств, а также их комбинации, если они не выходят за рамки изобретения.

Устройство защиты от заброса оборотов свободной турбины газотурбинного двигателя, содержащего газогенератор, содержащий по меньшей мере один компрессор, камеру сгорания, по меньшей мере одну связанную турбину и систему регулирования впрыска топлива в упомянутую камеру сгорания, при этом газы, выходящие из упомянутого газогенератора, попадают на упомянутую свободную турбину, при этом упомянутое устройство содержит по меньшей мере одно средство измерения крутящего момента, установленное на выходном валу, механически соединенном с упомянутой свободной турбиной, и блок обработки сигнала, выполненный с возможностью передачи команды на уменьшение подачи топлива в упомянутую систему регулирования газотурбинного двигателя в случае обнаружения падения крутящего момента ниже заданного значения, в котором измерение крутящего момента, используемое для включения упомянутого уменьшения, осуществляют во время вращения, соответствующего доле оборота упомянутого выходного вала. Технический результат изобретения - повышение быстродействия уменьшения подачи топлива в газогенератор во время обнаружения поломки вала свободной турбины. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство защиты от заброса оборотов свободной турбины (6) газотурбинного двигателя, содержащего газогенератор, содержащий по меньшей мере один компрессор (1), камеру (3) сгорания, по меньшей мере одну связанную турбину (4) и систему регулирования впрыска топлива в упомянутую камеру сгорания, при этом газы, выходящие из упомянутого газогенератора, попадают на свободную турбину (6), при этом упомянутое устройство содержит по меньшей мере одно средство (12) измерения крутящего момента, установленное на выходном валу (8, 11), механически соединенном с упомянутой свободной турбиной, и блок обработки сигнала, выполненный с возможностью передачи команды на уменьшение подачи топлива в упомянутую систему регулирования газотурбинного двигателя,
отличающееся тем, что блок обработки сигнала выполнен с возможностью передачи команды на уменьшение подачи топлива в случае обнаружения падения крутящего момента ниже заданного значения, при этом измерение крутящего момента, используемое для включения упомянутого уменьшения подачи топлива, осуществляют во время вращения, соответствующего доле оборота упомянутого выходного вала (8, 11).

2. Устройство защиты по п.1, в котором средство измерения является моментомером (12) с акустическими колесами, при этом долю оборота определяют по сектору между двумя последовательными зубьями упомянутого акустического колеса.

3. Устройство защиты по п.1, в котором измерение крутящего момента обновляют для каждой новой доли оборота.

4. Устройство защиты по п.3, в котором уменьшение подачи топлива производят, когда значение крутящего момента падает ниже первого заданного значения в заранее определенном первом интервале времени.

5. Устройство защиты по п.4, в котором первый интервал времени меньше или равен 5 мс.

6. Устройство защиты по п.3, в котором упомянутый блок обработки запускает упомянутое уменьшение подачи топлива, когда измеренная мощность превышает или равна, по существу, 50% от максимальной взлетной мощности.

7. Устройство защиты по п.1, в котором упомянутое измерение крутящего момента получают посредством определения скользящего среднего из значений, измеренных во время вращения по меньшей мере за один оборот упомянутого выходного вала (8, 11).

8. Устройство защиты по п.7, в котором уменьшение подачи топлива производят, когда значение крутящего момента становится ниже второго заданного значения в заранее определенном втором интервале времени.

9. Устройство защиты по п.8, в котором второй интервал времени меньше или равен 10 мс.

10. Устройство защиты по п.7, в котором упомянутый блок обработки запускает упомянутое уменьшение подачи топлива, только если измеренная мощность составляет от 25 до 50% от максимальной взлетной мощности.

11. Устройство защиты по п.7, в котором упомянутый блок обработки запускает также уменьшение подачи топлива, если измеренная мощность меньше 25% от максимальной взлетной мощности и если моментальное измерение крутящего момента становится меньше третьего заданного значения, при этом упомянутое заданное значение зависит от скорости вращения газогенератора.

12. Устройство защиты по п.1, в котором средство измерения крутящего момента содержит моментомер (12) с акустическими колесами и с несцепленными зубьями, и в котором упомянутый блок обработки запускает также уменьшение подачи топлива в случае обнаружения разности скорости между двумя акустическими колесами.

13. Вычислительная машина, содержащая блок обработки сигнала, выполненный с возможностью передачи команды на уменьшение подачи топлива в систему регулирования газотурбинного двигателя, оборудованного устройством по п.1, в случае обнаружения падения крутящего момента ниже заданного значения.

14. Газотурбинный двигатель, содержащий устройство защиты от заброса оборотов его свободной турбины (6) по п.1.