Устройство управления положением лопаток регулируемого направляющего аппарата Российский патент 2018 года по МПК F04D27/00 

Изобретение относится к области автоматического регулирования газотурбинных двигателей.

Известна струйная система (аналог) управления поворотом лопаток регулируемого направляющего аппарата (РНА) компрессора газотурбинного двигателя (ГТД) по степени повышения давления π_К=Р_К/Р_ВХ в компрессоре двигателя. Здесь Р_К - абсолютное давление воздуха на выходе из компрессора двигателя, Р_ВХ - абсолютное давление воздуха на входе в компрессор двигателя (см. Залманзон Л.А., Специализированные аэродинамические системы автоматического управления, М., Наука, 1978, С. 93-95, Рис. 2.3.а). Система содержит элемент формирования опорного сигнала, служащий для измерения истинного отношения давлений Р_К/Р_ВХ; струйный аналоговый элемент сравнения; струйный аналоговый усилитель; исполнительный орган, управляющий одновременно положением профиля регулировочного элемента регулируемого дросселя и положением лопаток направляющего аппарата компрессора.

Недостатками этой системы является пониженная точность регулирования положения лопаток регулируемого направляющего аппарата компрессора газотурбинного двигателя.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство управления положением лопаток РНА компрессора ГТД (см. патент РФ на полезную модель №171014, кл. F04D 27/00, 2016 г.).

Данное устройство содержит регулируемый выходной дроссель, соединенный через силовой орган с лопатками РНА, датчик отношения абсолютных давлений (ДОАД) с входным соплом подвода высокого давления и каналом подвода низкого давления, струйный усилитель, выходные каналы которого соединены с управляющими полостями силового органа, элемент сравнения (ЭС), содержащий первый и второй управляющие каналы, и входной дроссель, соединенный каналом с компрессором ГТД и образующий вместе с регулируемым выходным дросселем междроссельную камеру (МК), выход которой соединен с соплом питания ЭС и выходным соплом подвода высокого давления ДОАД, соединенного выходным каналом с первым управляющим каналом ЭС, а второй управляющий канал ЭС и канал подвода низкого давления ДОАД соединены полостью на входе в двигатель.

Недостатком этого устройства является пониженная точность при низких давлениях рабочего воздуха, имеющих место в процессе запуска двигателя.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является повышение точности работы устройства при низких давлениях рабочего воздуха с постановкой РНА на упор низких режимов (даже при значительных силах трения в механизмах РНА) путем увеличения перепадов давления на силовом органе (силовом приводе) в процессе запуска двигателя. При этом в процессе запуска и выхода на номинальный режим работы двигателя обеспечивается положение РНА, соответствующее заданному закону регулирования.

Для достижения указанного технического результата в устройстве для управления положением лопаток РНА ГТД, содержащем

регулируемый выходной дроссель, соединенный через силовой орган с лопатками РНА, датчик отношения абсолютных давлений с входным соплом подвода высокого давления и каналом подвода низкого давления, струйный усилитель, выходные каналы которого соединены с управляющими полостями силового органа, элемент сравнения, содержащий первый и второй управляющие каналы, и входной дроссель, соединенный каналом с компрессором ГТД и образующий вместе с регулируемым выходным дросселем междроссельную камеру, выход которой соединен с соплом питания ЭС и входным соплом подвода высокого давления ДОАД, соединенного выходным каналом с первым управляющим каналом ЭС, а второй управляющий канал ЭС и канал подвода низкого давления ДОАД соединены с полостью на входе в двигатель, а также пневмофиксатор, содержащий подпружиненный клапан с поршневым приводом, имеющим первую и вторую управляющие полости, при этом первая управляющая полость соединена с полостью низкого давления, а вторая управляющая полость - с выходным каналом струйного усилителя, управляющей полостью силового органа и через клапан с полостью высокого давления.

Отличительным признаком заявленного устройства является то, что в устройство введен пневмофиксатор, содержащий подпружиненный клапан с поршневым приводом, имеющим первую и вторую управляющие полости, при этом первая управляющая полость соединена с полостью низкого давления, а вторая управляющая полость - с выходным каналом струйного усилителя, управляющей полостью силового органа и через клапан с полостью высокого давления. Пневмофиксатор предназначен для установки силового органа в процессе запуска ГТД в заданное положение. Данный отличительный признак позволяет, за счет обеспечения постановки РНА на упор низких режимов путем повышения перестановочных усилий силового органа, повысить точность работы РНА на режимах с низким давлением рабочего воздуха. Повышение перестановочных усилий достигается за счет непосредственного соединения одной из управляющих полостей силового органа через полости пневмофиксатора с источником высокого давления, что позволяет существенно увеличить давление в соответствующей полости силового органа путем исключения потерь давления воздуха в проточных каналах струйного усилителя.

Дополнительно выполнение в пневмофиксаторе проходной площади клапана более чем в 4 раза больше проходной площади выходного канала струйного усилителя позволяет повысить уровень давления в одной из управляющих полостей силового органа до приемлемой величины, увеличивая перестановочные усилия на силовом органе. Таким образом повышается точность работы устройства (т.е. обеспечивается установка РНА в заданное положение) в процессе запуска двигателя.

Предлагаемое устройство представлено на чертежах Фиг. 1 и Фиг. 2, работа которых описана ниже. На Фиг. 1 - представлена схема устройства. На Фиг. 2 - схема пневмофиксатора.

Устройство управления положением лопаток РНА ГТД (см. фиг. 1) состоит из регулируемого выходного дросселя 1, соединенного через силовой орган 2 с лопатками РНА (на фиг. 1 не показаны), датчика отношения абсолютных давлений 3 с входным соплом подвода высокого давления 4 и каналом подвода низкого давления 5, струйного усилителя 6, выходные каналы 7 и 8 которого соединены с управляющими полостями 9 и 10 силового органа 2, элемента сравнения 11, содержащего первый 12 и второй 13 управляющие каналы, и входного дросселя 14, соединенного каналом 15 с компрессором ГТД и образующие вместе с регулируемым выходным дросселем 1 междроссельную камеру 16, выход которой соединен с соплом питания ЭС 17 и входным соплом подвода высокого давления 4, соединенного выходным каналом 18 с первым управляющим каналом 12, а второй управляющий канал 13 и канал подвода низкого давления 5 соединены с полостью на входе в двигатель Р_ВХ.

Датчик отношения абсолютных давлений 3, элемент сравнения 11 и струйный усилитель 6 конструктивно объединены в единый струйный блок 19.

Выходные каналы 20 и 21 ЭС 11 соединены с управляющими каналами 22 и 23 струйного усилителя 6. Вентиляционные каналы 24 ЭС 11 соединены с полостью на входе в двигатель Р_ВХ.

Сопло питания 25 струйного усилителя 6, как и МК 16, запитано воздухом из компрессора ГТД с давлением Р_К. Вентиляционные каналы 26 усилителя 6 соединены с окружающей средой (с атмосферой), а выходные каналы 7 и 8 с управляющими полостями 9, 10 силового органа 2, имеющего поршень 27, установленный в пневмоцилиндре 28 и перемещающий шток 29, соединенный с регулируемым выходным дросселем 1 МК 16, и шток 30, соединенный с поворотными лопатками РНА ГТД. Пневмофиксатор 31 (см. фиг. 2), содержит клапан 32, поджатый пружиной 33, (обеспечивающей его открытое положение) с поршневым приводом 34, имеющим первую и вторую управляющие полости 35 и 36, при этом первая управляющая полость 35 соединена с полостью низкого давления, а вторая управляющая полость 36 - с выходным каналом 8 струйного усилителя 6, управляющей полостью 9 силового органа 2, и через клапан 32 - с полостью 37, соединенной с полостью высокого давления Р_К.

Проходную площадь клапана 32 предпочтительно выполнять в 4 и более раз больше проходной площади выходного канала 8 струйного усилителя 6.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии поршень 27 (со штоками 29 и 30) силового органа 2 устройства находится на упоре низких режимов (во втянутом положении). Одновременно воздух из компрессора ГТД (на чертеже не показан) под давлением Р_К по каналу 15 поступает в МК 16 и к соплу питания 25 струйного усилителя 6. В МК 16 воздух входит через входной дроссель 14, который выполняет функцию регулировочного винта изменения наклона характеристики РНА. Поступая далее как к ДОАД 3, так и к регулируемому выходному дросселю 1, который выполнен в виде дросселя обратной связи золотникового типа. Воздух из канала 5 подвода низкого давления ДОАД 3 и из вентиляционных каналов 25 ЭС 11 отводится в полость на входе в двигатель с давлением Р_ВХ.

В процессе запуска, пока уровень давления Р_К не превышает значения нижней границы рабочего участка характеристики, давление Р_ДО в первом управляющем канале 12 ЭС 11 и выходном канале 18 ДОАД 3 за счет эжекции в проточной части ДОАД 3 будет меньше, чем во втором управляющем канале 13 ЭС 11, соединенном с полостью с давлением Р_ВХ.

Отрицательный управляющий перепад (Р_ДО-Р_ВХ) усиливаясь ЭС 11 и струйным усилителем 6, направляется в управляющие полости 9 и 10 пневмоцилиндра 28. При этом уровень давления в полости 9 пневмоцилиндра 28 будет существенно больше, чем в полости 10.

Дополнительно в управляющую полость 9 силового привода будет поступать воздух с давлением Р_К от пневмофиксатора 31, что ведет к увеличению перестановочного усилия формируемого силовым органом 2, повышая точность выполнения заданного закона регулирования. Поршень 27 (со штоками 29 и 30) будет установлен на упор низких режимов (во втянутое положение). При этом щель на пластине будет находиться в начале треугольного паза золотника регулируемого выходного дросселя 1.

По мере возрастания режима работы ГТД уровень давления Р_К увеличивается. При достижении перепада давлений (Р_К-Р_Н)=ΔР₁ (где Р_К - давление отбираемое за компрессором ГТД, Р_Н - давление окружающей среды) при котором перепады на поршневом приводе 33 и клапане 32 уравновешиваются с усилием пружины 34, клапан 32 закроется, прекратив подачу воздуха с давлением Р_К в управляющую полость 9, прекратив вмешиваться с работу регулятора в процессе запуска. Далее, при достижении, а затем и превышении значения, соответствующего начальной точке рабочего участка переходной характеристики устройства, произойдет снижение разряжения, а в дальнейшем и образование избыточного давления в выходном канале 18 ДОАД 3, выходном канале 20 ЭС 11, выходном канале 7 усилителя 6 и связанной с ним полостью 10 силового органа 2.

Перепад давлений ΔР_У=(Р_ДО-Р_ВХ) (где Р_ДО - абсолютное давление в управляющем канале ДОАД, Р_МК - абсолютное давление в регулируемой МК 16) изменит знак на противоположный (станет положительным) и, соответственно, давление в полости 10 пневмоцилиндра 28 станет больше чем в полости 9 и поршень 27 со штоками 29 и 30 начнет перемещаться.

Движение поршня 27 продолжается до тех пор, пока давление в выходном канале 18 ДОАД 3, вследствие изменения (увеличения) площади перепуска воздуха на золотнике регулируемого выходного дросселя 1 и уменьшения давления Р_ДО, не установится приблизительно равным давлению Р_ВХ. При этом на поршне 27 также установится перепад давлений близкий к нулю, свидетельствующий об установке лопаток РНА в заданное (согласно выбранного закона регулирования α_РНА=f(π_К)) положение.

При дальнейшем увеличении режима работы двигателя, степень повышения давления воздуха π_К растет, отношение давлений на ДОАД 3 становится больше π_ДО [где π_ДО - отношение абсолютных давлений на датчике π_ДО=Р_МК/Р_ВХ, при котором управляющий перепад давлений на управление струйного усилителя ΔР_У=(Р_ДО-Р_ВХ) равен нулю], давление в управляющей полости 10 пневмоцилиндра 28 становится больше, чем в управляющей полости 9. Поршень 27 перемещается, и площадь перепуска воздуха на золотнике регулируемого выходного дросселя 1 увеличивается, уменьшая давление Р_ДО. Это будет продолжаться до тех пор, пока отношение давлений на датчике отношения абсолютных давлений 3 не станет равным π_Д0, при котором давление в выходном канале 18 ДОАД 3 станет равным давлению Р_ВХ, а на поршне 27 пневмоцилиндра 28 установится перепад, равный нулю. Движение поршня 27 прекращается.

При снижении режима работы двигателя степень повышения давления π_К уменьшается, отношение давлений на ДОАД 3 становится меньше π_ДО, давление в управляющей полости 10 пневмоцилиндра 28 становится меньше, чем в управляющей полости 9. Поршень 27 будет перемещаться, уменьшая площадь перепуска воздуха на золотнике регулируемого выходного дросселя 1, увеличивая таким образом давление Р_ДО до тех пор, пока отношение давлений на ДОАД 3 не станет равным π_ДО. При этом перепад на поршне 27 установится близким к нулю, движение поршня 27 прекратится.

При разгоне двигателя до максимального режима поршень 27 со штоками 29 и 30 перемещается по закону h=f(π_К) (обеспечивая закон регулирования РНА α_РНА=f(π_К)), заданному профилем паза золотника регулируемого выходного дросселя 1, до упора максимального режима.

При сбросе режима или остановке двигателя поршень 27 по тому же закону перемещается в обратную сторону до постановки РНА на упор низких режимов.

Такое техническое решение позволяет обеспечить повышенную точность работы устройства управления положением лопаток РНА в заданных условиях (проверено экспериментально) - повышается точность работы устройства на режимах с низкими уровнями давления Р_К (малых (Р_К-Р_Н)), регулятор выставляет РНА на упор низких режимов при больших противодействующих усилиях (например, при больших силах трения в механизме РНА).

Изобретение относится к области автоматического регулирования газотурбинных двигателей (ГТД). Устройство управления положением лопаток регулируемого направляющего аппарата (РНА) компрессора газотурбинного двигателя содержит регулируемый выходной дроссель, соединенный через силовой орган с лопатками РНА, датчик отношения абсолютных давлений (ДОАД) с входным соплом подвода высокого давления и каналом подвода низкого давления, струйный усилитель, выходные каналы которого соединены с управляющими полостями силового органа. В устройстве установлены элемент сравнения (ЭС), содержащий первый и второй управляющие каналы, и входной дроссель, соединенный каналом с компрессором ГТД и образующий вместе с регулируемым выходным дросселем междроссельную камеру (МК), выход которой соединен с соплом питания ЭС и входным соплом подвода высокого давления ДОАД, соединенного выходным каналом с первым управляющим каналом ЭС, а второй управляющий канал ЭС и канал подвода низкого давления ДОАД соединены с полостью на входе в двигатель. Устройство содержит пневмофиксатор, содержащий подпружиненный клапан с поршневым приводом, имеющим первую и вторую управляющие полости, при этом первая управляющая полость соединена с полостью низкого давления, а вторая управляющая полость - с выходным каналом струйного усилителя, управляющей полостью силового органа, и через клапан - с полостью высокого давления. Данное устройство позволяет повысить точность работы устройства управления положением лопаток РНА на низких режимах работы ГТД. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство управления положением лопаток регулируемого направляющего аппарата (РНА) компрессора газотурбинного двигателя (ГТД), содержащее регулируемый выходной дроссель, соединенный через силовой орган с лопатками РНА, датчик отношения абсолютных давлений (ДОАД) с входным соплом подвода высокого давления и каналом подвода низкого давления, струйный усилитель, выходные каналы которого соединены с управляющими полостями силового органа, элемент сравнения (ЭС), содержащий первый и второй управляющие каналы, и входной дроссель, соединенный каналом с компрессором ГТД и образующий вместе с регулируемым выходным дросселем междроссельную камеру, выход которой соединен с соплом питания ЭС и входным соплом подвода высокого давления ДОАД, соединенного выходным каналом с первым управляющим каналом ЭС, а второй управляющий канал ЭС и канал подвода низкого давления ДОАД соединены с полостью на входе в двигатель,

отличающееся тем, что в устройство дополнительно введен пневмофиксатор, выполненный в виде подпружиненного клапана с поршневым приводом, имеющим первую и вторую управляющие полости, при этом первая управляющая полость соединена с полостью низкого давления, а вторая управляющая полость - с выходным каналом струйного усилителя, управляющей полостью силового органа и через клапан с полостью высокого давления.

2. Устройство по п. 1 отличающееся тем, что проходная площадь клапана более чем в 4 раза больше проходной площади выходного канала струйного усилителя.