СТРУЙНЫЙ РЕГУЛЯТОР ГТД ПО ПРИВЕДЕННЫМ ОБОРОТАМ Российский патент 2017 года по МПК F02C9/00 

Предлагаемое изобретение относится к системам автоматического регулирования энергетических установок и может использоваться, в частности, в системах управления газотурбинных двигателей, а также при моделировании в лабораторных условиях работы силовой установки.

Известен струйный регулятор, воздействующий на расход G_T топлива ГТД по приведенным оборотам (n_пр) вращения компрессора, т.е. по закону G_T=f(n_пр). [Теория автоматического управления силовыми установками летательных аппаратов, М. «Машиностроение», 1976. С. 298]. В таком регуляторе обороты компрессора измеряются с помощью зубчатого пневматического тахометра, который выдает два синусоидальных сигнала в виде давления воздуха. Один из этих сигналов подается к резонатору Гельмгольца, собственная частота которого задается положением рычага управления сектором газа, а другой сигнал направляется к элементам сравнения струйной системы на которых вырабатывается сигнал рассогласования по приведенным оборотам (n_пр) вращения компрессора. В резонаторе Гельмгольца осуществляется сдвиг по фазе синусоидальных сигналов давления, получаемых от датчика физических оборотов, т.е. частоты вращения компрессора. Коррекция этой частоты вращения в зависимости от температуры воздуха на входе в двигатель происходит в результате изменения собственной частоты резонатора пропорционально квадратному корню из температуры воздуха, поступающего в резонатор.

Основным недостатком известного устройства является то обстоятельство, что резонатор Гельмгольца применяется в проточном варианте исполнения. Поэтому температура воздуха в нем определяется как температурой воздуха, поступающего в резонатор, так и температурой окружающей его среды, что ухудшает точность определения приведенных оборотов.

Наиболее близким по технической сущности и числу совпадающих признаков является струйный регулятор лопаток направляющего аппарата компрессора ГТД по приведенным оборотам (n_пр). [Л.А. Залманзон, Аэродинамические методы измерения входных параметров автоматических систем, М. «Наука», 1973. С. 303-307 (см. также Патент США №3559665)].

Известное устройство содержит струйный блок управления, выходы которого подключены к исполнительному механизму ГТД, короткий и длинный коммуникационные каналы, вал с установленным на нем диском с отверстием два струйных элемента «сопло - приемный канал», расположенные вдоль окружности диска с возможностью взаимодействия их с отверстием диска и со смещением осей между собой на некоторый угол ψ, сопла струйных элементов соединены с источником давления, а приемные каналы через короткий и длинный коммуникационные каналы подключены к струйному блоку управления. Причем длинный коммуникационный канал выполняет функции термоприемника.

При вращении вала на входе в длинный коммуникационный канал создаются импульсы давления, которые через промежуток времени τ1, необходимый для прохождения импульсов по длинному коммуникационному каналу, поступают на вход струйного блока управления. Через промежуток времени τ2, необходимый для поворота вала на угол ψ, импульсы давления создаются на входе в короткий коммуникационный канал, которые затем непосредственно поступают на вход струйного блока управления. Промежуток времени τ1 зависит от длины коммуникационного канала и скорости распространения звука в нем, пропорциональной , где Т - абсолютная температура воздуха в канале. Промежуток времени τ2 определяется величиной угла ψ и оборотами n вращения вала. В процессе регулирования достигается равенство τ1=τ2, из которого следует, при заданном ψ, закон регулирования . При нарушении указанного равенства исполнительный механизм устанавливает направляющие лопатки компрессора таким образом, при котором за счет коррекции физических оборотов n вращения вала приведенные обороты n_пр становятся равным заданным, а τ1=τ2. Таким образом, направляющие лопатки компрессора автоматически устанавливаются исполнительным механизмом в положение, соответствующее заданному значению .

Основным недостатком известного устройства является то обстоятельство, что длинный коммуникационный канал (термоприемник) является проточным. Поэтому температура воздуха в нем определяется не только температурой окружающей его среды, но и температурой воздуха, поступающего в канал, что ухудшает точность определения приведенных оборотов.

Цель предлагаемого изобретения - повышение точности измерения приведенных оборотов. Эта цель достигается тем, что в струйном регуляторе ГТД по приведенным оборотам, содержащем струйный блок управления, выходы которого подключены к исполнительному механизму ГТД, трубопровод-термоприемник, вал с установленным на нем диском с, по меньшей мере, одним отверстием, два струйных элемента «сопло - приемный канал», расположенные вдоль окружности диска с возможностью взаимодействия их с отверстием диска и со смещением их осей между собой на некоторый угол ψ, сопла струйных элементов, соединенные с источником давления, приемный канал одного струйного элемента, подключенный к струйному блоку управления, приемный канал другого струйного элемента, подключенный к трубопроводу-термоприемнику, согласно предлагаемому изобретению дополнительно подключен непосредственно к струйному блоку управления, а открытый конец трубопровода-термоприемника помещен в герметичную капсулу объемом (1.5-2,0) см³, отсекающую его от окружающей среды.

На фиг. 1 - принципиальная блок-схема струйного регулятора.

На фиг. 2 - принципиальная схема струйного регулятора.

На фиг. 3 - конструкция струйного триггера «Т» (а), характеристика переключения триггера (б), конструкция логического элемента «И» (в) и таблица его состояний (г).

На фиг. 4 - циклограмма работы струйного регулятора.

Струйный регулятор ГТД по приведенным оборотам содержит струйный блок управления 1, выходы которого 2 и 3 подключены к исполнительному механизму 4, трубопровод-термоприемник 5, помещенный в среду, температура которой измеряется, вал 6 с установленным на нем диском 7 с отверстием 8, два струйных элемента «сопло - приемный канал» 9 и 10, расположенные вдоль окружности диска 7 с возможностью взаимодействия их с отверстием 8 диска и со смещением их осей 11 и 12 между собой на некоторый угол ψ, сопла струйных элементов 13 и 14 соединены с источником давления воздуха Р_П, приемный канал 15 струйного элемента 9 подключен к входу 16 струйного блока управления 1, приемный канал 17 струйного элемента 10 подключен к трубопроводу-термоприемнику 5 и к входу 18 струйного блока управления 1, открытый конец 19 трубопровода-термоприемника 5 помещен в герметичную капсулу 20 объемом (1.5-2,0) см³, отсекающую его от окружающей среды. Струйный блок управления 1 содержит два струйных триггера T₁ и Т₂ и два логических элемента И₁ и И₂. Струйные триггеры Т₁ и Т₂ имеют каналы питания 21, соединенные с источником давления воздуха Р_П, каналы управления 22, вентиляционные каналы 23, соединенные с окружающей средой и выходные каналы 24 (см. фиг. 3а). Логические элементы И₁ и И₂ имеют два входных канала 25 и один выходной канал 26, остальные каналы соединены с окружающей средой (см. фиг. 3в). Вход 16 струйного блока управления 1 подключен к соответствующим входным каналам 25 элементов И₁ и И₂. Вход 18 струйного блока управления 1 подключен к соответствующему каналу управления 22 триггера T_l, другой канал управления 22 которого соединен с окружающей средой. Выходные каналы 24 триггера Т₁ подключены к соответствующим входным каналам 25 элементов И₁ и И₂, выходные каналы 26 которых подключены к каналам управления 22 триггера Т₂, выходные каналы 24 триггера Т₂ подключены к соответствующим выходам 2 и 3 струйного блока управления 1. Триггеры Т₁ и Т₂ реализуют характеристику переключения, представленную на фиг. 3б, струйные элементы И₁ и И₂ выполняют логическую функцию «И», таблица состояний которой изображена на фиг. 3г.

При вращении вала 6 в приемном канале 17 струйного элемента 10 создается импульс давления, который одновременно поступает на вход 18 струйного блока управления 1 и в трубопровод-термоприемник 5. Импульс на входе 18 поступает затем в соответствующий канал управления 22 триггера Т₁ (т. 0, фиг. 2 и фиг. 4), и переключает его в положение т.1. Импульс, поступивший в трубопровод-термоприемник 5, через некоторый промежуток времени отражается от его открытого конца, меняет при этом свою полярность, движется в обратном направлении и, достигнув канала управления 22 триггера Т₁, переключает его в исходное положение т. 2. Обозначим промежуток времени от появления импульса в приемном канале 17 до переключения триггера T₁ в исходное положение через t_т. Через промежуток времени t_n, необходимый для поворота вала 6 на угол ψ, импульс давления создается в приемном канале 15 струйного элемента 9, который через вход 16 струйного блока управления 1 поступает на соответствующие входные каналы 25 элементов И₁ и И₂ (т. 3). Если промежуток времени t_T<t_n, (см. фиг. 4), импульс в т. 3 совпадает по времени с импульсом соответствующего выходного канала 24 триггера Т₁ (т. 2) и, таким образом, проходит на выход 26 логического элемента Их (т. 5). На выходе И₂ в это время импульс отсутствуют, и триггер Т₂ переключается на выход 3 струйного блока управления 1. Если промежуток времени t_T>t_n, импульс в т. 3 совпадает по времени с импульсом другого выходного канала 24 триггера Т₁ (т. 1) и, таким образом, проходит на выход логического элемента И₂ (т. 4). На выходе И₁ в это время импульс отсутствует, и триггер Т_{2 переключается на выход 2 струйного блока управления 1. Рассмотренный процесс работы струйного регулятора повторяется в течение каждого оборота вала до тех пор, пока исполнительный механизм 4, воздействуя на какой либо параметр ГТД, например, на подачу топлива или положение лопаток направляющего аппарата компрессора, приведет обороты n вала 6 к значению, при котором tт=tn, а приведенные обороты равными заданным nпр°. Промежуток времени tт определяется длиной L трубопровода-термоприемника и скоростью С звука в нем. Скорость звука С пропорциональна значению , где Т - абсолютная температура в трубопроводе-термоприемнике. Таким образом, получаем:}

Промежуток времени t_n определяется величиной угла ψ и скоростью вращения вала т.е. физическими оборотами n. Таким образом:

Из условия регулирования: t_n=t_т получаем:

Из (3) окончательно имеем: _

Где к - коэффициент пропорциональности.

Таким образом, из условия t_n=t_т угол ψ и n_пр связаны между собой прямой зависимостью. Реализуя эту зависимость, регулятор может быть включен в схемы регулирования ГТД в разных режимах работы. Например:

режим (а) - ψ=f(α_руд) - режим управления параметрами ГТД по n_пр, задаваемых, например, от α_руд

режим (б) - ψ=const - режим предельных значений n_пр

режим (в) - исполнительный механизм имеет механическую обратную связь с возможностью изменять угол ψ - режим датчика n_пр.

Благодаря тому, что открытый конец трубопровода-термоприемника помещен в герметичную капсулу, он становится непроточным т.е. при работе в нем не происходит обмена массы воздуха и поэтому температура воздуха в трубопроводе-термоприемнике определяется только температурой окружающей его среды и не зависит от температуры питающего регулятор воздуха. Это повышает точность определения приведенных оборотов и, как следствие, более оптимальное регулирование параметров ГТД.

Струйный регулятор ГТД по приведенным оборотам относится к системам автоматического регулирования энергетических установок и может использоваться, в частности, в системах управления газотурбинных двигателей, а также при моделировании в лабораторных условиях работы силовой установки. Содержит струйный блок управления, выходы которого подключены к исполнительному механизму, вал с установленным на нем диском с отверстиями для получения сигнала о частоте вращения компрессора и термоприемник, выполненный в виде непроточного трубопровода, помещенный в среду, температура которой измеряется. Струйный регулятор сравнивает промежуток времени прохождения импульсов по трубопроводу с промежутком времени поворота вала на заданный угол. При равенстве этих временных промежутков заданный угол поворота диска однозначно определяет значение приведенных оборотов. Технический результат - повышение точности определения приведенных оборотов и, как следствие, более оптимальное регулирование параметров ГТД. 4 ил.

Струйный регулятор ГТД по приведенным оборотам, содержащий струйный блок управления, выходы которого подключены к исполнительному механизму ГТД, трубопровод-термоприемник, вал с установленным на нем диском с, по меньшей мере, одним отверстием, два струйных элемента «сопло-приемный канал», расположенные вдоль окружности диска с возможностью взаимодействия их с отверстием диска и со смещением их осей между собой на некоторый угол ψ, сопла струйных элементов соединены с источником давления воздуха, приемный канал одного струйного элемента подключен к струйному блоку управления, приемный канал другого струйного элемента подключен к трубопроводу-термоприемнику, отличающийся тем, что приемный канал другого струйного элемента дополнительно подключен непосредственно к струйному блоку управления, а открытый конец трубопровода-термоприемника помещен в герметичную капсулу объемом (1.5-2,0) см³, отсекающую его от окружающей среды.