СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ОТ МНОГОКРАТНЫХ ПОМПАЖЕЙ КОМПРЕССОРА Российский патент 2018 года по МПК F04D27/02 

Описание патента на изобретение RU2670469C1

Изобретение относится к области обеспечения безопасности полета самолета с газотурбинным двигателем (ГТД) путем прекращения многократных помпажей компрессора, характеризуемых сильными низкочастотными колебаниями параметров потока в проточной части и вибрациями элементов двигателя.

Известны способы защиты компрессора газотурбинного двигателя от помпажа, в которых контролируемыми параметрами могут служить: давление воздуха за компрессором Рк, температура газов Тг, частоты вращения роторов высокого nвд и низкого давлений nнд; другие внутридвигательные параметры (Патент RU 2472974, МПК F04D 27/02, публ. 20.01.2013 г.; Патент RU 2351807, МПК F04D 27/02, публ. 10.04.2009 г.; Патент RU 2527850, МПК F04D 27/02, публ. 10.09.2014 г.; Патент RU 2374143, МПК B64D 31/00, публ. 27.11.2009 г.; Патент RU 2187711, МПК G01M 15/00, публ. 20.08.2002 г.; Патент RU 2098668, МПК F04D 27/02, публ. 10.12.1997 г.; Патент US № 5379583, F02C 9/20, публ. 10.01.1995 г; Патент US 5375412, F02C 9/16, публ. 27.12.1994 г.).

В известных способах защиты от помпажа используется принцип измерения контролируемых параметров и/или их производных, последующего сравнения их фактических величин с соответствующими величинами предельно допустимых (пороговых) значений. При превышении фактических величин над соответствующими допустимыми формируется сигнал критической ситуации, свидетельствующий о потере газодинамической устойчивости потока - сигнал «Помпаж». При наличии сигнала «Помпаж» в автоматическом режиме выполняется открытие клапанов перепуска воздуха из компрессора и/или кратковременное прекращение подачи топлива в камеру сгорания, что, как правило, позволяет восстановить газодинамическую устойчивость работы компрессора. После устранения неустойчивого режима работы сигнал «Помпаж» снимается (не формируется), далее возобновляют подачу топлива в камеру сгорания двигателя и закрытие клапанов перепуска воздуха по заданной программе управления, тем самым обеспечивается восстановление тяги двигателя до помпажа его компрессора.

Недостатком рассмотренных аналогов является возможность ложного срабатывания противопомпажной системы на максимальном режиме работы двигателя при взлете самолета, например, из-за существенных ошибок в измерении параметров двигателя, по которым идентифицируется помпаж. Такие ошибки в измерениях могут возникнуть вследствие отказа датчика параметра двигателя, переменного контакта в электропроводке датчика, иных отказов устройств обработки выходных сигналов датчиков. Ложное срабатывание противопомпажной системы неизбежно приводит к существенной потере тяги двигателя, усложнению условий пилотирования, что особенно недопустимо при взлете самолета.

Для повышения надежности и исключения ложных срабатываний противопомпажной системы при диагностике помпажа известен комплекс внутридвигательных параметров (патент RU 2041399, МПК F04D 27/02, публ. 09.08.1995), но это неизбежно приводит к снижению быстродействия системы из-за существенного различия динамических свойств сигналов, а также повышению ее стоимости и трудоемкости обслуживания из-за увеличения количества применяемых датчиков для определения помпажа.

Наиболее близким к заявляемому и принятому за прототип, является способ защиты компрессора от помпажа (Патент RU 2255247, МПК F04D 27/02, публ. 27.06.2005 г), включающий измерение давления воздуха за компрессором Рк, определение скорости изменения давления ΔРк/Δτ, сравнение ее с пороговым значением (ΔРк/Δτ)порог, формирование сигнала «Помпаж» при ΔРк/Δτ≥(ΔРк/Δτ)порог, измерение частоты вращения ротора высокого давления nвд и сравнение с его пороговым значением nвдпорог, характеризующим взлетный режим, и в случае, если nвд<nвдпорог и наличии сигнала «Помпаж» осуществляют кратковременное отключение подачи топлива в камеру сгорания и включение перепуска воздуха из компрессора; при этом в случае, если nвд≥nвдпорог и сигнал «Помпаж» присутствует, то блокируют сигнал на отключение подачи топлива в камеру сгорания и сигнал на открытие перепуска воздуха из компрессора. Параметр nвдпорог, характеризующий взлетный режим, препятствует снижению режима работы двигателя ниже заданного nвдпорог (блокировка взлетного режима).

Таким образом для условий взлетного режима при наличии сигнала «Помпаж» и отсутствии реального снижения частоты вращения nвд ниже nвдпорог, сигнал «Помпаж» оценивается как ложный и отсечку топлива в камеру сгорания двигателя не производят.

Способ защиты двигателя от помпажа, выбранный за прототип, использовался в составе электронной цифровой системы автоматического управления авиационного двухконтурного двигателя. За время эксплуатации газотурбинного двигателя не было зафиксировано ни одного случая ложного срабатывания противопомпажной системы, приводящим к снижению режима работы двигателя, включая взлетный режим. Также на основании статистических данных о срабатывании противопомпажной системы газотурбинного двигателя установлено, что при попадании птицы на вход в двигатель, молнии или кратковременном порыве бокового ветра сверх нормы при посадке или разбеге, противопомпажная система устраняет помпаж и восстанавливает режим. Во всех вышеперечисленных случаях в подавляющем числе случаев наблюдалось однократное или в меньшей степени двукратное срабатывание противопомпажной системы.

Однако при наличии таких постоянно-действующих факторов как поломка лопаток компрессора высокого давления, отказ топливорегулирующей аппаратуры, наблюдается длительный помпаж, вызывающий срабатывание противопомпажной системы три и более раз за время Δτ=5… 10 секунд. Подобная ситуация приводит к нежелательным силовым нагрузкам на двигатель, может способствовать дополнительным поломкам лопаток компрессора и других элементов двигателя. Вышеуказанный недостаток может быть присущ различным типам газотурбинных двигателей, оснащенных системой защиты от помпажа, предусматривающей автоматическое восстановление режима.

Таким образом, если после многократных помпажей компрессора за определенный (короткий) интервал времени двигатель из помпажа не выходит, то его необходимо выключать.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении безопасности полета за счет автоматического выключения двигателя при многократных помпажах компрессора за наперед заданный (фиксированный) интервал времени Δτ.

Технический результат достигается тем, что в способе защиты газотурбинного двигателя от многократных помпажей компрессора, заключающийся в том, что измеряют давление воздуха за компрессором Рк, определяют скорость изменения давления ΔРк/Δτ, сравнивают ее с пороговым значением (ΔРк/Δτ)порог, формируют сигнал «Помпаж» при ΔРк/Δτ≥(ΔРк/Δτ)порог, измеряют частоту вращения ротора высокого давления nвд и сравнивают с его пороговым значением nвдпорог, характеризующим взлетный режим, и в случае, если nвд<nвдпорог и наличии сигнала «Помпаж» осуществляют кратковременное отключение подачи топлива в камеру сгорания и включают перепуск воздуха из компрессора; при этом в случае, если nвд≥nвдпорог и сигнал «Помпаж» присутствует, то блокируют сигнал на отключение подачи топлива в камеру сгорания и сигнал на открытие перепуска воздуха из компрессора, согласно изобретения, дополнительно устанавливают предельно допустимое количество помпажей Nпорог за наперед заданный интервал времени Δτ, определяют количество сформированных сигналов «Помпаж» N за заранее заданный интервал времени Δτ, при этом в случае, если количество сформированных сигналов «Помпаж» N превышает Nпорог производят автоматическое прекращение подачи топлива в двигатель.

Кроме того, согласно изобретению, устанавливают численное значение параметра Nпорог не менее 3, а продолжительность заранее заданного интервала времени Δτ=5…10 секунд.

В предлагаемом изобретении, в отличие от прототипа, дополнительно устанавливают предельно допустимое количество помпажей Nпорог за наперед заданный интервал времени Δτ, определяют количество сформированных сигналов «Помпаж» N за заранее заданный интервал времени Δτ, при этом в случае, если количество сформированных сигналов «Помпаж» N превышает Nпорог производят автоматическое прекращение подачи топлива в двигатель, что позволяет повысить безопасность полета за счет автоматического выключения двигателя при многократных помпажах компрессора за наперед заданный (фиксированный) интервал времени Δτ.

На фиг. 1 - представлена структурная схема для реализации заявляемого способа.

Блок 1 представляет собой блок диагностики и устранения помпажа. На вход блока 1 поступает сигнал о величине давления воздуха за компрессором Рк и сигнал о величине частоты вращения ротора высокого давления nвд.

В блоке осуществляется вычисление первой производной Рк по времени ΔРк/Δτ, сравнение текущего значения ΔРк/Δτ с параметром (ΔРк/Δτ)порог, представляющим собой предельно допустимое значение параметра ΔРк/Δτ и характеризующим неустойчивую работу компрессора; формирование сигнала «Помпаж» на выходе блока 1 (I1) при ΔРк/Δτ>(ΔРк/Δτ)порог. Сигнал I1 представляет собой стандартный электрический сигнал высокого логического уровня. Сигнал I1 «Помпаж» поступает в бортовую систему регистрации полетной информации, а также на вход блока 2.

В блоке 1 также осуществляют измерение частоты вращения ротора высокого давления nвд и сравнение с его пороговым значением nвдпорог, характеризующим взлетный режим, и в случае, если nвд<nвдпорог и наличии сигнала «Помпаж» осуществляют кратковременное отключение подачи топлива в камеру сгорания и включение перепуска воздуха из компрессора; при этом в случае, если nвд≥nвдпорог и сигнал «Помпаж» присутствует, то блокируют сигнал на отключение подачи топлива в камеру сгорания и сигнал на открытие перепуска воздуха из компрессора.

Блок 2 представляет собой типовой электронный счетчик электрических сигналов l1 высокого логического уровня. Вход блока 2 соединен с выходом блока 1. В случае, если количество N сигналов l1 превышает Nпорог за заранее заданный интервал времени Δτ, то на выходе блока 2 формируется управляющий сигнал по которому производят автоматическое прекращение подачи топлива в двигатель.

Способ осуществляется следующим образом.

В процессе работы двигателя на вход блока 1 поступает сигнал частоты вращения ротора высокого давления nвд и сигнал о величине давления воздуха за компрессором Рк. При ΔРк/Δτ≥(АРк/Δτ)порог формируют сигнал «Помпаж» на выходе блока 1 в виде электрического сигнала (I1) высокого логического уровня. В блоке 1 также осуществляют измерение частоты вращения ротора высокого давления nвд и сравнение с его пороговым значением nвдпорог, характеризующим взлетный режим. В случае, если nвд<nвдпорог и в наличии сигнала «Помпаж», то осуществляют кратковременное отключение подачи топлива в камеру сгорания и включение перепуска воздуха из компрессора.

После устранения помпажа возобновляют подачу топлива в двигатель и закрытие клапанов перепуска воздуха по заданной программе управления, тем самым обеспечивая восстановление режима работы двигателя до помпажа. В случае, если причиной помпажа был кратковременный фактор, то повторного помпажа не происходит и продолжается эксплуатация двигателя без каких-либо ограничений. Наоборот, при наличии постоянно действующего фактора, приводящего к неустойчивой работе компрессора, возможно наличие многократных помпажей.

В блоке 2 осуществляется подсчет сигналов «Помпаж», а именно определение количества электрических сигналов I1 за заранее заданный интервал времени Δτ. В случае, если количество N сигналов I1 превышает Nпорог за наперед заданный интервал времени Δτ, то на выходе блока 2 формируется управляющий сигнал, по которому производят автоматическое прекращение подачи топлива в двигатель.

Статистикой и расчетами установлено, что для двухконтурных авиационных двигателей с типовым временем приемистости «Малый газ - Максимальный режим» 7…9 секунд, предпочтительным является следующий количественный критерий - автоматическое выключение двигателя целесообразно осуществлять при не менее 3 срабатываний противопомпажной системы (Nпорог не менее 3) за заранее заданное время Δτ=5…10 секунд.

Таким образом, выполнение предлагаемого изобретения с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками, позволяет повысить безопасность полета за счет автоматического выключения двигателя при многократных помпажах компрессора за наперед заданный (фиксированный) интервал времени Δτ.

Похожие патенты RU2670469C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ОТ ПОМПАЖА КОМПРЕССОРА ЭЛЕКТРОННОЙ ДВУХКАНАЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ 2023
  • Россик Михаил Викторович
  • Саженков Алексей Николаевич
  • Савенков Юрий Семенович
RU2810867C1
Способ автоматической защиты газотурбинного двигателя от помпажа 2022
  • Саженков Алексей Николаевич
  • Савенков Юрий Семенович
RU2789806C1
СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ОТ ПОМПАЖА КОМПРЕССОРА 2023
  • Саженков Алексей Николаевич
  • Савенков Юрий Семенович
  • Якушев Алексей Павлович
RU2801768C1
Способ защиты газотурбинного двигателя от помпажа 2022
  • Саженков Алексей Николаевич
  • Савенков Юрий Семенович
RU2798129C1
СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ОТ ВОЗНИКНОВЕНИЯ НЕУСТОЙЧИВОЙ РАБОТЫ КОМПРЕССОРА 2006
  • Саженков Алексей Николаевич
  • Савенков Юрий Семенович
  • Тимкин Юрий Иванович
  • Трубников Юрий Абрамович
RU2310100C2
СПОСОБ АВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ОТКАЗАХ И НЕИСПРАВНОСТЯХ 2005
  • Саженков Алексей Николаевич
  • Савенков Юрий Семенович
  • Тимкин Юрий Иванович
  • Трубников Юрий Абрамович
RU2305788C2
СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ 2010
  • Дудкин Юрий Петрович
  • Гладких Виктор Александрович
  • Фомин Геннадий Викторович
RU2468257C2
СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ПОМПАЖА КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ 2000
  • Иноземцев А.А.
  • Савенков Ю.С.
  • Саженков А.Н.
  • Трубников Ю.А.
RU2187711C1
СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ПОМПАЖЕ НА ЗАПУСКЕ 2009
  • Полулях Антон Иванович
  • Тимкин Юрий Иванович
  • Савенков Юрий Семенович
  • Саженков Алексей Николаевич
  • Трубников Юрий Абрамович
RU2403454C1
СПОСОБ ЗАЩИТЫ КОМПРЕССОРА ПРИ НЕУСТОЙЧИВОЙ РАБОТЕ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ 2003
  • Саженков А.Н.
  • Савенков Ю.С.
  • Тимкин Ю.И.
  • Трубников Ю.А.
RU2255247C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 670 469 C1

Реферат патента 2018 года СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ОТ МНОГОКРАТНЫХ ПОМПАЖЕЙ КОМПРЕССОРА

Изобретение относится к области обеспечения безопасности полета самолета с газотурбинным двигателем (ГТД) путем прекращения многократных помпажей компрессора, характеризуемых сильными низкочастотными колебаниями параметров потока в проточной части и вибрациями элементов двигателя. В данном способе дополнительно устанавливают предельно допустимое количество помпажей Nпорог за наперед заданный интервал времени Δτ, определяют количество сформированных сигналов «Помпаж» N за заранее заданный интервал времени Δτ, при этом в случае, если количество сформированных сигналов «Помпаж» N превышает Nпорог, производят автоматическое прекращение подачи топлива в двигатель. Кроме того, дополнительно применяют численное значение параметра Nпорог, равное не менее 3, а продолжительность заранее заданного интервала времени Δτ=5…10. Технический результат изобретения повышение безопасности полета за счет автоматического выключения двигателя при многократных помпажах компрессора за наперед заданный интервал времени Δτ. 1 з.п. ф-лы, 1ил.

Формула изобретения RU 2 670 469 C1

1. Способ защиты газотурбинного двигателя от многократных помпажей компрессора, включающий измерение давления воздуха за компрессором Рк, определение скорости изменения давления ΔРк/Δτ, сравнение ее с пороговым значением (ΔРк/Δτ)порог, формирование сигнала «Помпаж» при ΔРк/Δτ ≥ (ΔРк/Δτ)порог, измерение частоты вращения ротора высокого давления nвд и сравнение с его пороговым значением nвдпорог, характеризующим взлетный режим, и в случае, если nвд < nвдпорог и в наличии сигнал «Помпаж», осуществляют кратковременное отключение подачи топлива в камеру сгорания и включение перепуска воздуха из компрессора; при этом в случае, если nвд ≥ nвдпорог и сигнал «Помпаж» присутствует, то блокируют сигнал на отключение подачи топлива в камеру сгорания и сигнал на открытие перепуска воздуха из компрессора, отличающийся тем, что дополнительно устанавливают предельно допустимое количество помпажей Nпopoг за наперед заданный интервал времени Δτ, определяют количество сформированных сигналов «Помпаж» N за заранее заданный интервал времени Δτ, при этом в случае, если количество сформированных сигналов «Помпаж» N превышает Nпopoг, производят автоматическое прекращение подачи топлива в двигатель.

2. Способ защиты газотурбинного двигателя от многократных помпажей компрессора по п. 1, отличающийся тем, что численное значение параметра Nпopoг не менее 3, а продолжительность заранее заданного интервала времени Δτ=5…10 секунд.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2018 года RU2670469C1

СПОСОБ ЗАЩИТЫ КОМПРЕССОРА ПРИ НЕУСТОЙЧИВОЙ РАБОТЕ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ 2003
  • Саженков А.Н.
  • Савенков Ю.С.
  • Тимкин Ю.И.
  • Трубников Ю.А.
RU2255247C1
СПОСОБ ЗАЩИТЫ ТУРБОКОМПРЕССОРА ОТ ПОМПАЖА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 1991
  • Гусев Ю.М.
  • Шаяхметов Р.З.
  • Шакирьянов М.М.
RU2041399C1
СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ 2011
  • Дудкин Юрий Петрович
  • Гладких Виктор Александрович
  • Фомин Геннадий Викторович
  • Титов Юрий Константинович
RU2472974C2
СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ АДАПТИВНЫМ МНОГОСКОРОСТНЫМ ШИРОКОПОЛОСНЫМ КОДЕКОМ (AMR-WB-КОДЕКОМ) И МНОГОРЕЖИМНЫМ ШИРОКОПОЛОСНЫМ КОДЕКОМ С ПЕРЕМЕННОЙ СКОРОСТЬЮ В БИТАХ (VBR-WB-КОДЕКОМ) 2003
  • Желинек Милан
  • Салами Редван
RU2351907C2
US 5599161 A, 04.02.1997
DE 4202226 C2, 08.06.1995.

RU 2 670 469 C1

Авторы

Савенков Юрий Семенович

Саженков Алексей Николаевич

Даты

2018-10-23Публикация

2017-10-19Подача