Способ управления механизацией компрессора газотурбинного двигателя Российский патент 2017 года по МПК F04D27/00 

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических и гидромеханических системах автоматического управления (САУ) газотурбинными двигателями (ГТД).

Наиболее известными способами управления механизацией компрессора ГТД являются управление по степени сжатия воздуха (π_к) в компрессоре двигателя: α_рна; положение КПВ=f(π_к) и по приведенной частоте вращения (Nтк пр) турбокомпрессора (ТК): α_рна; положение КПВ=f(Nтк пр), где

π_к - степень повышения давления воздуха в компрессоре двигателя, равная: π_к=(Рк/Рвх);

Рк - давление воздуха за компрессором двигателя;

Рвх - давление воздуха на входе в двигатель;

α_рна - угол установки регулируемых направляющих аппаратов (РНА) компрессора двигателя;

КПВ - клапан перепуска воздуха компрессора двигателя;

Nтк пр - приведенная частота вращения ТК двигателя, равная: Nтк пр=Nтк×√То/Твх;

Nтк - физическая (измеренная) частота вращения ТК двигателя;

То - температура приведения, равная температуре стандартной атмосферы на уровне моря (То=288,15 K);

Твх - температура воздуха на входе в двигатель.

Способ управления механизацией компрессора ГТД по степени сжатия воздуха в компрессоре заключается в том, что измеряют давление воздуха на входе в двигатель Рвх и на выходе из компрессора Рк, вычисляют степень сжатия π_к как отношение давления Рк к Рвх, по величине π_к формируют заданные положения РНА и КПВ, сравнивают их с фактическими, по величине рассогласования формируют управляющие воздействия и подают их на приводы РНА и КПВ до тех пор, пока фактические положения РНА и КПВ не станут равны заданным.

Этот способ описан в изобретении к патенту №2392498 С2 (RU). «Устройство управления механизацией компрессора газотурбинного двигателя» 2008 г. Примером реализации этого способа управления механизацией компрессора является насос-регулятор НР-2000 двигателя ТВ3-117ВМА-СБМ1, «Турбовинтовой двигатель ТВ3-117ВМА-СБМ1. Руководство по технической эксплуатации 3170000000РЭ», ЗМКБ «Прогресс» им. А.Г. Ивченко, 1999 г.

Недостатком этого способа является сложность его реализации в устройствах гидромеханических САУ ГТД, а также в резервных регуляторах электронно-гидромеханических САУ из-за необходимости измерения 2-х давлений и деления 2-х величин, пропорциональных Рк и Рвх. Недостатком способа является также нелинейность характеристики α_рна=f(π_к) и необходимость вводить изменения в эту характеристику в зависимости от величины давления Рвх из-за расслоения π_к по высоте полета.

Наиболее близким к заявляемому способу по назначению, физической сущности, техническому решению и достигаемому результату при использовании является способ управления механизацией компрессора по приведенной частоте вращения ТК двигателя, заключающийся в том, что измеряют частоту вращения ротора ТК и температуру воздуха на входе в двигатель, по частоте вращения ТК и величине температуры воздуха рассчитывают приведенную частоту вращения ротора ТК, по приведенной частоте вращения формируют заданные положения РНА и КПВ компрессора, сравнивают их с фактическими, по величине рассогласования формируют управляющие воздействия и подают их на приводы РНА и КПВ до тех пор, пока фактические положения РНА и КПВ не станут равны заданным.

Этот способ описан в изобретении к патенту №2514463 C1 (RU) «Способ механизации компрессора газотурбинного двигателя» 2012 г. Примером реализации этого способа управления механизацией компрессора является насос-регулятор НР-3 двигателей ТВ3-117 всех модификаций, «Руководство по технической эксплуатации турбовального двигателя ТВ3-117», ЛНПО им. В.Я. Климова, Ленинград 1986 г.

Недостатком этого способа является сложность реализации его в гидромеханических САУ, а также в резервных гидромеханических регуляторах электронно-гидромеханических САУ вследствие необходимости измерения гидромеханическими устройствами температуры воздуха во входном устройстве двигателя. Особенно это касается малоразмерных ГТД, у которых установка достаточно объемного гидромеханического датчика температуры в проточной части двигателя вызывает затенение потока воздуха и способствует возникновению срывных явлений на лопатках компрессора (помпажа). Поэтому на таких двигателях датчик температуры входящего в двигатель воздуха размещается, как правило, на устройстве, управляющем механизацией компрессора, а воздух из входного устройства двигателя подводят к датчику специальным воздуховодом, что требует дополнительных материальных затрат и приводит к изменению температуры воздуха вследствие нагрева его от двигателя.

Целью заявленного технического решения в качестве изобретения является упрощение реализации описанного способа управления механизацией компрессора ГТД путем определения приведенной частоты вращения ротора ТК двигателя по внутридвигательным параметрам без измерения температуры воздуха на входе в двигатель.

Одной из основных характеристик ГТД является приведенная дроссельная характеристика, показывающая зависимость приведенной частоты вращения ротора ТК от приведенного расхода топлива в камеру сгорания (КС) двигателя (Gт пр=Gт×Ро/Рвх×√То/Твх), где

Gт пр - приведенный расход топлива в КС двигателя;

Gт - фактический (измеренный) расход топлива в КС двигателя;

Ро - давление приведения, равное стандартной атмосфере на уровне моря Ро=0,1013 МПа.

По приведенной дроссельной характеристике двигателя, зная величину приведенного расхода топлива в КС, можно определить величину приведенной частоты вращения ротора ТК двигателя. В случае, когда расход топлива приведен только по давлению воздуха на входе в двигатель без приведения его по температуре воздуха на входе в двигатель, найденная по приведенной дроссельной характеристике частота вращения ТК будет совпадать с приведенной частотой вращения ТК только при температуре воздуха на входе в двигатель, равной температуре приведения То=288,15 К. При отклонении температуры воздуха от температуры приведения частота, найденная по приведенной дроссельной характеристике в случае отсутствия приведения расхода топлива по температуре воздуха будет равна частоте, которая имела бы место при температуре воздуха на входе в двигатель равной То=288,15 K (Nтк²⁸⁸), т.е. будет отличаться от приведенной, где

Nтк²⁸⁸ - частота вращения ТК, найденная по приведенной дроссельной характеристике двигателя в случае приведения расхода топлива в КС только по давлению воздуха на входе в двигатель.

Проведенные расчеты показывают, что при неизменных физических (измеренных) расходах топлива в КС двигателя при изменении температуры воздуха на входе в двигатель изменяются как Nтк пр, так и Nтк. Так в таблице №1 в качестве примера приведены расчетные данные по изменению Nтк пр и Nтк семейства двигателей ТВ3-117 при неизменных расходах топлива в КС двигателя на режимах с закрытыми КПВ в диапазоне температур воздуха на входе в двигатель от минус 60 до плюс 60°С. Из таблицы видно, что при изменении температуры воздуха на входе в двигатель имеется зависимость между изменениями Nтк пр и Nтк, причем при температуре приведения То=288,15 K Nтк пр и Nтк равны между собой и в случае отсутствия приведения расхода топлива по температуре воздуха совпадают с частотой, найденной по приведенной дроссельной характеристике. Таким образом, отклонение измеренной частоты Nтк от найденной по приведенной дроссельной характеристике свидетельствует об отклонении температуры воздуха на входе в двигатель от температуры приведения (То=288,15 K). При этом отклонение приведенной частоты вращения ТК (ΔNтк пр) от найденной по приведенной дроссельной характеристике пропорционально отклонению от нее измеренной частоты вращения ТК (ΔNтк).

Таким образом при описанном способе приведенная частота вращения ТК двигателя

равна:

,

где

A_i - коэффициент коррекции, зависящий от характера приведенной дроссельной характеристики и режима работы двигателя.

Как видно из формулы, заявленный способ управления механизацией компрессора ГТД позволяет получать приведенную частоту вращения ТК двигателя, в зависимости от которой управляются элементы механизации компрессора ГТД, по внутридвигательным параметрам без непосредственного измерения температуры воздуха на входе в двигатель.

МП - максимально-продолжительный режим работы двигателя.

Заявленный способ заключается в том, что измеряют частоту вращения ТК, расход топлива в КС двигателя и давление воздуха на входе в двигатель, приводят расход топлива к стандартной атмосфере на уровне моря, по известной приведенной дроссельной характеристике двигателя, используя расход топлива в КС, приведенный по давлению воздуха на входе в двигатель, находят частоту вращения ТК двигателя, сравнивают ее с измеренной частотой вращения ТК двигателя, по величине рассогласования рассчитывают величину коррекции найденной частоты, суммируют величину коррекции с частотой, найденной по приведенной дроссельной характеристике двигателя, получают приведенную частоту вращения ТК двигателя, по приведенной частоте по заданным законам определяют заданные положения РНА и КПВ, измеряют фактические положения РНА и КПВ, сравнивают заданные и фактические положения РНА и КПВ, по величине рассогласования формируют управляющие воздействия на приводы РНА и КПВ до тех пор, пока фактические положения РНА и КПВ не станут равны заданным.

На рис. 1 представлена одна из возможных схем устройства, реализующего описанный способ управления механизацией компрессора.

Устройство содержит блок датчиков входной информации 1, соединенный с регулятором расхода 2, блоком 3 и корректором 5, регулятор расхода 2 соединен с исполнительным механизмом 7 подачи топлива в КС двигателя и блоком 3, получающим информацию от блока 1 о давлении воздуха на входе в двигатель, приводящим расход топлива к давлению стандартной атмосферы на уровне моря и соединенным с устройством 4, содержащим приведенную дроссельную характеристику двигателя, формирующим по приведенной дроссельной характеристике частоту вращения ТК и соединенным с корректором 5, получающим информацию о измеренной частоте вращения ТК двигателя от блока 1 и о частоте, найденной по приведенной дроссельной характеристике от устройства 4. Корректор 5 по формуле 1 вычисляет приведенную частоту вращения ТК и передает ее блоку 6, который по заданным законам формирует заданные положения РНА и КПВ, сравнивает их с фактическими положениями РНА и КПВ, получаемыми от исполнительных механизмов 8, по величине рассогласования вырабатывает управляющие команды и передает их исполнительным механизмам 8 РНА и КПВ, реализующим эти команды.

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических и гидромеханических системах автоматического управления ГТД. Сущность изобретения заключается в упрощении реализации способа управления механизацией компрессора ГТД по приведенной частоте вращения турбокомпрессора (ТК) двигателя за счет определения приведенной частоты вращения ТК по внутридвигательным параметрам двигателя без измерения температуры воздуха на входе в двигатель. Это достигается тем, что частота вращения ТК двигателя, найденная по приведенной дроссельной характеристике двигателя с использованием расхода топлива в двигатель, приведенного только по давлению воздуха входе в двигатель, корректируется на величину, пропорциональную отклонению этой частоты от измеренной частоты вращения ТК. Коэффициент коррекции определяется характером приведенной дроссельной характеристики и режимом работы двигателя. Положительным эффектом изобретения является упрощение технических устройств управления механизацией компрессора ГТД и, как следствие, снижение стоимости и повышение надежности ГТД. 1 ил., 1 табл.

Способ управления механизацией компрессора газотурбинного двигателя, заключающийся в том, что определяют приведенную частоту вращения турбокомпрессора (ТК) двигателя, по приведенной частоте вращения ТК двигателя по заданным законам управления положением регулируемых направляющих аппаратов (РНА) и клапанов перепуска воздуха (КПВ) компрессора рассчитывают заданные положения РНА и КПВ, измеряют фактические положения РНА и КПВ, сравнивают заданные и фактические положения РНА и КПВ, по величине рассогласования формируют управляющие воздействия на приводы РНА и КПВ до тех пор, пока фактические положения РНА и КПВ не станут равны заданным, отличающийся тем, что определяют частоту вращения ТК по приведенной дроссельной характеристике двигателя, используя величину расхода топлива в камеру сгорания двигателя, приведенную только по давлению воздуха на входе в двигатель, сравнивают ее с измеренной частотой вращения ТК, по величине рассогласования с учетом режима работы двигателя рассчитывают величину коррекции найденной частоты, суммируют величину коррекции с частотой, найденной по приведенной дроссельной характеристике двигателя, получают приведенную частоту вращения ТК и используют ее для расчета заданных положений элементов механизации компрессора двигателя.