СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОСНОВНОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2016 года по МПК F02C9/00 

Изобретение относится к области автоматического регулирования газотурбинного двигателя (ГТД) и может быть использовано при разработке управляемых ГТД за счет изменения геометрии основной камеры сгорания.

Известен способ управления основной камерой сгорания газотурбинного двигателя, основанный на программном изменении коэффициента избытка воздуха в первичной зоне горения без учета анализа продуктов сгорания (индексов эмиссии монооксидов углерода СО и углеводородов НС), характеризующих полноту сгорания топлива. См., например (Постников A.M. Снижение оксидов азота в выхлопных газах газотурбинных установок. Издательство Самарского научного центра РАН, 2002 г., с. 205-206).

Недостатком данного способа управления основной камерой сгорания является низкая эффективность управления рабочим процессом основной камеры сгорания обусловленная тем, что обеспечение ее оптимальных характеристик осуществляется путем программного изменения коэффициента избытка воздуха в первичной зоне горения α_ПЗГ без учета индексов эмиссии монооксидов углерода СО и углеводородов НС, характеризующих полноту сгорания топлива.

Согласно [Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД: Пер. с англ. - М.: Мир, 1986, с. 86] значение коэффициента избытка воздуха в первичной зоне горения близко 1, в своей работе [Мингазов Б.Г. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. Конструкция, моделирование процессов и расчет. - Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2006, с. 211] рекомендует его оптимальное значение 1,2, а [Кулагин В.В. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок: Учебник для студентов вузов / В.В. Кулагин. - М.: Машиностроение, 2003, с. 161] считает, что оптимальное значение должно быть 1,3, т.е. при этих значениях коэффициента избытка воздуха в первичной зоне горения будет достигнуто максимальное значение коэффициента полноты сгорания топлива.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности управления рабочим процессом основной камеры сгорания за счет корректировки заданного значения коэффициента избытка воздуха в первичной зоне горения, в зависимости от значения коэффициента полноты сгорания топлива.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе управления основной камерой сгорания газотурбинного двигателя измеряют индексы эмиссии монооксидов углерода СО и углеводородов НС, вычисляют текущий коэффициент полноты сгорания топлива, сравнивают с заданным значением коэффициента полноты сгорания топлива и корректируют коэффициент избытка воздуха в первичной зоне горения.

Сущность изобретения заключается в следующем. Известно [Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД: Пер. с англ. - М.: Мир, 1986, с. 190], что эффективность рабочего процесса основной камеры сгорания определяется коэффициентом полноты сгорания топлива, который зависит от уровня содержания индексов эмиссии монооксидов углерода СО и углеводородов НС. Эта зависимость приведена в книге Григорьев А.В., Митрофанов В.А., Рудаков О.А., Саливон Н.Д. Теория камеры сгорания / под ред. О.А. Рудакова. - СПб.: Наука, 2010, с. 135:

где η_Г - коэффициент полноты сгорания топлива, EI_HC, EI_CO - индексы эмиссии НС и СО.

Поэтому согласно изобретению на выходе основной камеры сгорания измеряют индексы эмиссии монооксидов углерода СО и углеводородов НС и вычисляют текущее значение коэффициента полноты сгорания топлива, которое сравнивают с заданным, соответствующим высокой эффективности рабочего процесса ОКС. Заданное значение коэффициента полноты сгорания топлива находится в пределах от 0,98 до 0,995 см, например [Кулагин В.В. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок: Учебник для студентов вузов / В.В. Кулагин. - М.: Машиностроение, 2003, с. 161].

Если текущее значение коэффициента полноты сгорания топлива не соответствует заданному, то в программном блоке осуществляется корректировка заданного значения коэффициента избытка воздуха в первичной зоне горения.

Этим достигается указанный в изобретении технический результат.

Измерение индексов эмиссии монооксидов углерода СО и углеводородов НС может быть выполнено датчиками, например с помощью газового хроматографа, см. [http://www.chromatec.ru, дата обращения 16.07.2014 г.], который измеряет их массовую концентрацию и по массовому расходу топлива выдает сигнал значения индексов эмиссии монооксидов углерода СО и углеводородов НС.

Вычислитель коэффициента полноты сгорания топлива предназначен для определения коэффициента полноты сгорания по формуле 1 и может быть реализован, например, в виде вычислителя на базе микроконтроллера, см. [Бродин В.Б., Калинин А.В. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики. - М.: ЭКОМ, 2002, с. 135].

Способ может быть реализован, например, с помощью устройства, схема которого приведена на чертеже, где обозначено: основная камера сгорания 1, подвижные элементы 2, привод подвижных элементов 3, поляризованный переключатель 4, первая схема сравнения 5, измеритель текущего значения коэффициента избытка воздуха в первичной зоне горения 6, программный блок заданного значения коэффициента избытка воздуха в первичной зоне горения 7, на вход которого поступает сигнал от второй схемы сравнения 8, при этом первый ее вход соединен с выходом последовательно соединенного вычислителя коэффициента полноты сгорания топлива 9 с датчиками индексов эмиссии монооксидов углерода СО 10 и углеводородов НС 11, а на второй вход второй схемы сравнения подается заданное значение коэффициента полноты сгорания топлива.

Назначение первой и второй схем сравнения ясны из их названия и могут быть выполнены, например, в виде компараторов, см., например [Антипенский Р.В., Змий Б.В., Клочков Г.Л. Электроника и схемотехника. Воронеж: ВАИУ, 2009, с. 289].

Измеритель текущего значения коэффициента избытка воздуха в первичной зоне горения 6 может быть выполнен по схеме, приведенной в [«Система управления камерой сгорания изменяемой геометрии газотурбинного двигателя летательного аппарата» Авторское свидетельство №1462901, F02C 9/26, опубл. 02.06.1987 г.].

Программный блок 7 заданного значения коэффициента избытка воздуха в первичной зоне горения, в отличие от известного, дополнительно обеспечивает формирование скорректированного сигнала заданного значения коэффициента избытка воздуха в первичной зоне горения на величину ±Δα в области режимов работы двигателя от запуска до «Максимального».

Способ управления основной камерой сгорания функционирует аналогично прототипу. В отличие от прототипа датчики индексов эмиссии монооксидов углерода СО 10 и углеводородов НС 11 выдают сигнал значения индексов эмиссии EI_HC и EI_CO на вход вычислителя коэффициента полноты сгорания топлива 9, где осуществляется его расчет по формуле 1.

Если расчетное значение коэффициента полноты сгорания топлива не соответствует заданному, то вторая схема сравнения 8 выдает сигнал в программный блок 7, который на основании этого сигнала выдает скорректированный сигнал заданного значения коэффициента избытка воздуха в первичной зоне горения на фиксированную величину ±Δα, который в первой схеме сравнения сравнивается с текущим и поступает на вход поляризованного переключателя 4, который подает сигнал на привод 3, воздействуя на перемещение подвижных элементов 2 камеры сгорания 1, управляя при этом пропускной способностью первичной зоны горения.

Этим достигается указанный технический результат.

Изобретение относится к области автоматического регулирования газотурбинного двигателя (ГТД), основанного на программном изменении коэффициента избытка воэдуха в первичной зоне горения. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности управления рабочим процессом основной камеры сгорания за счет корректировки заданного значения коэффициента избытка воздуха в первичной зоне горения, в зависимости от значения коэффициента полноты сгорания топлива. При этом измеряют индексы эмиссии монооксидов углерода (СО) и углеводородов (НС), вычисляют текущее значение коэффициента полноты сгорания топлива, сравнивают его с заданным значением коэффициента полноты сгорания топлива и корректируют коэффициент избытка воздуха в первичной зоне горения. 1ил.

Способ управления основной камерой сгорания газотурбинного двигателя, основанный на программном изменении коэффициента избытка воздуха в первичной зоне горения, отличающийся тем, что измеряют индексы эмиссии монооксидов углерода (СО) и углеводородов (НС), вычисляют текущее значение коэффициента полноты сгорания топлива, сравнивают его с заданным значением коэффициента полноты сгорания топлива и корректируют коэффициент избытка воздуха в первичной зоне горения.