Способ управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания Российский патент 2022 года по МПК F02C9/28 F02C9/00 

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических системах автоматического управления многорежимными газотурбинными двигателями (ГТД) с форсажной камерой сгорания (ФКС).

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания, заключающийся в том, что по измеренным значениям давления в двух заданных сечениях двигателя формируют текущее значение отношения давлений в этих сечениях, которое сравнивают с заданным значением, и по величине отклонения, полученного в результате сравнения, формируют заданное значение положения распределительного золотника, управляющего гидроцилиндрами, регулирующими положение створок критического сечения реактивного сопла двигателя, на переходных режимах работы газотурбинного двигателя заданное значение отношения давлений в заданных сечениях двигателя формируют в зависимости от приведенной частоты вращения ротора компрессора низкого давления и корректируют в зависимости от ускорения ротора компрессора высокого давления, а на установившихся режимах работы газотурбинного двигателя заданное значение отношения давлений в заданных сечениях двигателя формируют в зависимости от температуры воздуха на входе в двигатель (RU 2652267 С2, F02C 9/28,2016).

В результате анализа известного способа необходимо отметить, что в многоколлекторной схеме подачи топлива при включении в работу каждого топливного коллектора ФКС топливо воспламеняется мгновенно, данное воздействие (возмущение) не может быть полностью скомпенсировано системой управления вследствие ее ограниченного быстродействия, данное возмущение может приводить к помпажу компрессора низкого давления.

По мере снижения давления газа в форсажной камере сгорания условия для ее розжига ухудшаются, что приводит к необходимости увеличивать расход топлива через пусковой коллектор, что повышает относительное возмущение при его воспламенении и вероятность возникновения помпажа компрессора.

Таким образом, использование единого закона управления критическим сечением реактивного сопла на форсированных режимах работы ГТД не может обеспечить устойчивую работу двигателя на форсированных режимах во всей области его эксплуатации. При использовании единого закона управления приходится ограничивать область запуска форсажной камеры сгорания или выбирать закон, который обеспечивает необходимые запасы газодинамической устойчивости (ГДУ) во всей области эксплуатации, что приводит к снижению удельных характеристик двигателя при высоких давлениях в камере сгорания.

Для исключения данных факторов и обеспечения устойчивой работы ГТД при включении каждого топливного коллектора ФКС необходимо заранее увеличивать запас ГДУ компрессоров за счет увеличения площади критического сечения реактивного сопла.

Задачей изобретения является расширение области включения форсированных режимов работы двигателя.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности розжига форсажной камеры сгорания за счет согласования отношения давлений в заданных сечениях двигателя.

Заявленный технический результат достигается тем, что в способе управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания, оснащенной по меньшей мере двумя топливными коллекторами, по измеренным температуре воздуха на входе в двигатель, давлению Р_к воздуха за компрессором высокого давления, положению рычага управления двигателем управляют расходом топлива в форсажную камеру сгорания, при этом по измеренным значениям давления воздуха в двух заданных сечениях двигателя формируют текущее значение π отношения давлений в заданных сечениях, формируют номинальное значение π_ном отношения давлений в заданных сечениях, устанавливают заданное значение π_зад отношения давлений в заданных сечениях двигателя равным π_ном, сравнивают заданное значение π_зад отношения давлений с текущим значением π и по величине отклонения π от π_зад, полученного в результате сравнения, регулируют положение створок критического сечения реактивного сопла двигателя, при включении в работу каждого топливного коллектора ФКС на время его заполнения устанавливают заданное значение π_зад отношения давлений в заданных сечениях двигателя равным предварительно выбранному для нормальных условий для соответствующего топливного коллектора ФКС значению π_фк отношения давлений в заданных сечениях двигателя.

Существенные признаки могут иметь развитие и продолжение.

Дополнительно определяют отношение комплекса параметров G_Тфк/Р_к каждого топливного коллектора ФКС при нормальных условиях к значению комплекса параметров при текущих условиях работы двигателя, где:

G_Тфк - расход топлива в соответствующий коллектор,

Р_к - давление воздуха за компрессором высокого давления;

и пропорционально указанному отношению комплекса повышают предварительно выбранное для нормальных условий для соответствующего топливного коллектора ФКС значениеπ_фк.

Установленное при включении в работу каждого из топливных коллекторов ФКС значение отношения давлений в заданных сечениях двигателя ограничивают снизу сформированным номинальным значением π_ном.

Далее рассматривается ГТД с ФКС, оснащенной двумя топливными коллекторами, однако ФКС может быть оснащена более чем двумя топливными коллекторами без изменения сущности заявленного изобретения.

Заявленное изобретение поясняется следующим подробным описанием его осуществления со ссылкой на фигуру, на которой представлена схема системы управления ГТД.

Система управления для реализации заявленного способа содержит блок 1 датчиков измерения параметров работы ГТД 2, а именно: температуры Т_вх на входе в двигатель, давления воздуха в двух заданных сечениях двигателя и положения РУД (α_РУД) (РУД на схеме не показан).

Сечения двигателя задаются исходя из способа решения задачи управления - обеспечения заданного режима работы компрессоров двигателя при изменении расхода топлива в форсажную камеру сгорания. Далее рассматривается решение задачи путем регулирования степени расширения газов на турбине, в этом случае блок 1 датчиков измеряет давление Р_к за компрессором высокого давления и давление Р_т за турбиной. В случае решения задачи путем поддержания степени сжатия компрессора низкого давления блок 1 датчиков измеряет давление на входе в двигатель и давление за компрессором низкого давления.

Система содержит задатчик 3 для формирования номинального значения π_ном отношения давлений в выбранных сечениях двигателя в зависимости от температуры на входе в двигатель:

К входу задатчика 3 подключен выход датчика температуры Т_вх на входе в двигатель блока 1 (для облегчения чтения схемы подключения датчиков показаны условно).

Система содержит задатчики 4 и 5 для установки значения π_фк в процессе заполнения коллекторов ФКС (π_фк1, π_фк2). Число задатчиков выбирается равным количеству коллекторов ФКС.

Система содержит задатчик 6 расхода G_Тфк топлива в коллекторы ФКС (G_Tфк1, G_Tфк2). К входам задатчика 6 подключены выходы датчиков положения РУД (α_РУД), температуры Т_вх, давления Р_к за компрессором высокого давления.

Задатчик 6 реализует следующие известные зависимости:

На первом выходе задатчика 6 формируется расход G_Tфк1 топлива в первый коллектор ФКС, на втором - расход G_Tфк2 топлива во второй коллектор. Выходы задатчика 6 подключены к первому и второму коллекторам ФКС (на схеме не показаны) ГТД 2 соответственно.

Система содержит управляемый селектор 7, к входам которого подключены: к первому входу - выход задатчика 3, ко второму входу -выход задатчика 4, к третьему входу - выход задатчика 5.

Система содержит одновибраторы 8 и 9, входы которых подключены соответственно к первому и второму выходам задатчика 6. Выход одновибратора 8 подключен к первому управляющему входу селектора 7, а выход одновибратора 9 - ко второму управляющему входу селектора 7.

Система содержит делитель 10, к входам которого подключены датчики давления воздуха в выбранных сечениях двигателя: за компрессором (Р_к) и турбиной (Р_т), таким образом, что выходным сигналом делителя 10 является отношение, равное степени 71 т расширения газа на турбине:

Выход селектора 7 подключен к первому входу сумматора 11, ко второму (инвертирующему) входу которого подключен выход делителя 10.

Выход сумматора 11 подключен к последовательно соединенным регулятору 12 заданной степени расширения газа на турбинах и приводу 13 створок реактивного сопла ГТД 2.

Для реализации изобретения по п. 2 формулы система дополнительно оснащена задатчиком 14 постоянных значений отношений комплексов параметров G_Tфк1/P_к (на своем первом выходе) и G_Tфк2/Р_к (на своем втором выходе) при нормальных условиях, делителями 15, 16, 17, 18 и корректорами 19 и 20.

При этом к первому входу делителя 15 подключен первый выход задатчика 6, ко второму входу делителя 15 - выход датчика давления Р_к воздуха за компрессором. Выход делителя 15 подключен к первому входу делителя 16, ко второму входу которого подключен первый выход задатчика 14. Выход делителя 16 подключен к второму входу корректора 19. Корректор 19 установлен между задатчиком 4 и селектором 7: к первому входу корректора 19 подключается выход задатчика 4, а выход корректора 19 подключается к второму входу селектора 7 вместо задатчика 4.

К первому входу делителя 17 подключен второй выход задатчика 6, ко второму входу делителя 17 - выход датчика давления воздуха за компрессором. Выход делителя 17 подключен к первому входу делителя 18, ко второму входу которого подключен второй выход задатчика 14. Выход делителя 18 подключен ко второму входу корректора 20. Корректор 20 должен быть установлен между задатчиком 5 и селектором 7: к первому входу корректора 20 подключается выход задатчика 5, а выход корректора 20 подключается к третьему входу селектора 7 вместо задатчика 5.

Для реализации изобретения по п. 3 формулы система дополнительно оснащена селектором 21 максимального уровня, при этом селектор 21 включен между селектором 7 и сумматором 11: выход селектора 21 подключается к первому входу сумматора 11 вместо селектора 7, к первому входу селектора 21 подключается выход селектора 7, а к второму входу селектора 21 дополнительно подключается выход задатчика 3.

Система для реализации заявленного способа может быть скомпонована из известных блоков и элементов.

В качестве датчиков могут быть использованы стандартные датчики контроля параметров работы ГТД 2, например, терморезистивные датчики температуры, резистивные датчики давлений, стандартные линейные дифференциальные трансформаторы для измерения линейных или угловых перемещений.

Задатчики 4 и 5 являются стандартными задатчиками постоянного сигнала. Численное значение задатчиков 4 и 5 выбирается из условия обеспечения запасов ГДУ компрессоров двигателя при воспламенении топлива в момент окончания заполнения коллекторов ФКС при нормальных условиях работы ГТД. Например, если π_ном при нормальных условиях составляет 6 единиц, а воспламенение расхода топлива, поданного через первый коллектор приводит к снижению величины параметра π_т на 0.1, то уровень задатчика 4 целесообразно настроить на величину π_фк1, равную 6.1.

Аналогично выбирается численное значение для задатчика 5.

Управляемый селектор 7 выбирается таким образом, что при подаче на его первый управляющий вход сигнала логической единицы он подключает к своему выходу сигнал со второго входа, при подаче на второй управляющий вход селектора 7 сигнала логической единицы он подключает к своему выходу сигнал с третьего входа, при любом ином состоянии сигналов на управляющих входах к выходу селектора 7 подключен сигнал с его первого входа.

Одновибраторы 8 и 9 являются стандартными. Время импульса одновибраторов выбирается равным времени заполнения первого и второго коллекторов соответственно.

В качестве регулятора 12 может быть использован стандартный ПИД-регулятор.

В качестве привода 13 створок критического сечения реактивного сопла может быть использован известный привод с воздействием на распределительный золотник, задающий скорость перемещения гидроцилиндров створок реактивного сопла.

Используемые в системе задатчики, делители, сумматор и селектор максимального уровня являются стандартными.

Задатчик 14 является стандартным и формирует на своих выходах постоянные сигналы, численно равные отношению расходов топлива в первый и второй коллекторы к давлению за компрессором высокого давления при нормальных условиях.

Корректоры 19 и 20 являются устройствами реализации произвольных функциональных зависимостей и могут реализовывать зависимости вида:

где:

U1 - сигнал на первом входе корректора: сигнал задатчика 4 для корректора 19 или сигнал задатчика 5 для корректора 20;

U2 - сигнал на втором входе корректора: сигнал делителя 16 для корректора 19 или сигнал делителя 18 для корректора 20;

А - величина коррекции заданного отношения π_фк (π_фк1, π_фк2), выбирается для обеспечения запасов ГДУ при увеличении относительного расхода топлива в коллекторы ФКС в высотных условиях. Например, при воспламенении расхода топлива при нормальных условиях в первом коллекторе ФКС снижение параметра π_фк составляет 0.1, а при увеличении расхода топлива в два раза снижение составит уже 0.2, следовательно параметр А должен быть выбран равным 0.1.

Способ управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания осуществляется следующим образом.

Режим работы ГТД 2 задается РУД.

На всех режимах работы ГТД 2 задатчик 3 по известной зависимости (1) формирует номинальное значение π_ном отношения давлений в заданных сечениях двигателя, например, степени расширения газа на турбинах.

Выходным значением селектора 7 является заданное значение π_зад.

При нахождении РУД вне форсажной области, задатчиком 6 формируются нулевые расходы в первый и второй коллекторы ФКС. При этом одновибраторы 8 и 9 не срабатывают, и на выход селектора 7 подается значение с выхода задатчика 3 - заданного номинального значения π_ном.

Делитель 10 формирует текущее значение π отношения давлений. Сумматором 11 формируется отклонение значения π от заданного задатчиком 3 значения π_зад. Регулятор 12 в соответствии с сигналом сумматора 11 формирует сигнал управления на привод 13 створок реактивного сопла, что приводит к перемещению створок, изменению площади критического сечения реактивного сопла и параметра п.

При переводе РУД в форсажную область (50% степени форсирования) задатчик 6 формирует сигнал расхода G_Tфк1 топлива для дозирования через первый коллектор ФКС. При этом происходит срабатывание одновибратора 8, и к выходу селектора 7 оказывается подключен сигнал с его второго входа - заданное значение π для режима розжига первого коллектора ФКС:

Регулятор 12 формирует сигнал управления для поддержания этого заданного значения. При этом длительность импульса одновибратора 8 выбрана таким образом, что она совпадает со временем заполнения коллектора, и воспламенение топлива, подаваемого через коллектор, приходится на момент, когда регулятор 12 поддерживает заданный задатчиком 4 уровень π_фк1. После окончания импульса одновибратора 8 селектор 7 переключается в исходное состояние - к выходу селектора 7 подключается сигнал с его первого входа - от задатчика 3, и регулятор 12 продолжает поддерживать номинальное заданное значение параметра π_ном.

При переводе РУД на режим полного форсирования топливо начинает подаваться через второй коллектор ФКС, при этом срабатывает одновибратор 9, селектор 7 подключает к своему выходу сигнал своего третьего входа, а регулятор 12 начинает поддерживать заданное для режима включения второго коллектора значение π_зад:

После воспламенения топлива, поданного через второй коллектор ФКС, и окончания импульса одновибратора 9 система перейдет в состояние поддержания номинального значения параметра π_ном.

Таким образом, заявленный способ позволяет независимо настраивать заданную степень расширения газа на турбине для установившихся режимов работы ФКС и режимов, при которых осуществляется включение коллекторов ФКС, обеспечивая различные требования к режимам: полноты сгорания, тяговым характеристикам двигателя и запасам ГДУ компрессоров.

Стоит отметить, что, например, при отклонении условий работы двигателя от нормальных для обеспечения устойчивого запуска ФКС и воспламенения топлива в коллекторах расход через них может быть увеличен (до +50%). При этом выбранного для нормальных условий уровня π_зад для режима запуска коллекторов (π_фк1, π_фк2) окажется недостаточно для парирования возмущения по газовоздушному тракту в момент воспламенения топлива, что приведет к помпажу двигателя.

Для исключения данного фактора настоящий способ может быть дополнен для его осуществления согласно п. 2 формулы изобретения.

В этом случае способ осуществляется аналогично описанному выше, но на второй вход селектора 7 для первого коллектора ФКС и на третий вход селектора 7 для второго коллектора ФКС подается скорректированное соответственно корректорами 19 и 20 значение параметра π_зад.

Рассмотрим осуществление способа при включении в работу первого коллектора (для второго коллектора способ осуществляется аналогично).

Относительное возмущение в газовоздушном тракте определяет расход топлива, отнесенный к расходу воздуха. В достаточной степени можно оперировать отношением расхода топлива к давлению воздуха за компрессором. Так, при увеличении отношения комплекса параметров G_Tфк/Р_к в два раза относительно того же комплекса параметров, рассчитанного при нормальных условиях работы двигателя, возмущение по газовоздушному тракту и величина изменения л возрастают в два раза.

Например, на установившемся режиме работы величина π_т равна 8. В момент воспламенения топлива величина π_т снижается до 7,8, т.е. на 0.2 (при 10 нормальных условиях). Если расход топлива увеличить в 2 раза, а расход воздуха через двигатель не изменяется, то π_т снижается на 0.4, т.е. до 7,6.

Способ обеспечивает коррекцию согласно отношению комплексов параметров G_Tфк/Р_к при текущих условиях работы (формируется на делителях 15 и 17 для первого и второго коллекторов соответственно) и при нормальных условиях (формируется задатчиком 14). Так, если текущее отношение G_Tфк1/Р_к равно, например, 1.6%/(кгс/см²), а значение при нормальных условиях равно 1.15%/(кгс/см²), то на вход корректора 19 поступит сигнал, равный:

что соответствует увеличению возмущения в газовоздушном тракте относительно нормальных условий примерно в 1.4 раза. Ранее было указано, что снижение величины π при воспламенении топлива, поданного через первый коллектор, при нормальных условиях составляет 0.1, следовательно при текущих условиях снижение составит 0.14.

При этом согласно настройке корректора 19, величина А составляет 0.1, а выходное значение корректора 19 составит:

что превышает уровень π_ном на 0.14.

Таким образом, способ позволяет не допустить снижения я ниже заданного номинального значения при вспышке топлива и обеспечить запасы газодинамической устойчивости компрессоров.

Следует также отметить, что при изменении температуры на входе в двигатель зависимость (1) приводит к увеличению заданной степени расширения газа на турбинах с ростом температуры, запасы газодинамической устойчивости растут и дополнительное их увеличение в момент включения коллекторов ФКС уже не требуется, более того увеличение я может привести к ухудшению условий горения топлива в ФКС.

Для учета этого фактора система может быть дополнена селектором максимального уровня 21 для осуществления способа по п. 3 настоящей формулы. При этом выходное значение π_зад селектора 7 будет ограничено снизу значением 7 π_ном. Таким образом, если π_фк1 (или π_фк2) численно больше, чем π_ном, то на вход регулятора поступит значение π_фк1, что приведет к увеличению площади критического сечения реактивного сопла и запасов ГДУ, в обратном случае - значение π_зад останется на уровне π_ном, что и так соответствует высоким запасам ГДУ, и увеличивать их не требуется.

Предлагаемый способ управления позволяет обеспечить устойчивую работу ГТД на форсированных режимах работы во всей области эксплуатации двигателя и расширить диапазон высот, в котором возможен розжиг форсажной камеры сгорания.

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения. Способ управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания (ФКС) заключается в том, что по измеренным температуре воздуха на входе в двигатель, давлению воздуха за компрессором высокого давления, положению рычага управления двигателем управляют расходом топлива в форсажную камеру сгорания, при этом по измеренным значениям давления воздуха в двух заданных сечениях двигателя формируют текущее значение π отношения давлений в заданных сечениях, формируют номинальное значение π_ном отношения давлений в заданных сечениях, устанавливают заданное значение π_зад отношения давлений в заданных сечениях двигателя равным π_ном, сравнивают заданное значение π_зад отношения давлений с текущим значением π и по величине отклонения π от π_зад, полученного в результате сравнения, регулируют положение створок критического сечения реактивного сопла двигателя, при этом при включении в работу каждого топливного коллектора ФКС на время его заполнения устанавливают заданное значение π_зад отношения давлений в заданных сечениях двигателя равным предварительно выбранному для нормальных условий для соответствующего топливного коллектора ФКС значению отношения давлений в заданных сечениях двигателя. Технический результат - повышение надежности розжига форсажной камеры сгорания за счет согласования отношения давлений в заданных сечениях двигателя. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания (ФКС), оснащенной по меньшей мере двумя топливными коллекторами, заключающийся в том, что по измеренным температуре воздуха на входе в двигатель, давлению Р_к воздуха за компрессором высокого давления, положению рычага управления двигателем управляют расходом топлива в форсажную камеру сгорания, при этом по измеренным значениям давления воздуха в двух заданных сечениях двигателя формируют текущее значение π отношения давлений в заданных сечениях, формируют номинальное значение π_ном отношения давлений в заданных сечениях, устанавливают заданное значение π_зад отношения давлений в заданных сечениях двигателя равным π_ном, сравнивают заданное значение π_зад отношения давлений с текущим значением π и по величине отклонения π от π_зад, полученного в результате сравнения, регулируют положение створок критического сечения реактивного сопла двигателя, отличающийся тем, что при включении в работу каждого топливного коллектора ФКС на время его заполнения устанавливают заданное значение π_зад отношения давлений в заданных сечениях двигателя равным предварительно выбранному для нормальных условий для соответствующего топливного коллектора ФКС значению π_фк отношения давлений в заданных сечениях двигателя.

2. Способ управления по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно определяют отношение комплекса параметров G_Tфк/Р_к каждого топливного коллектора ФКС при нормальных условиях к значению комплекса параметров при текущих условиях работы двигателя, где:

G_Tфк - расход топлива в соответствующий коллектор,

Р_к - давление воздуха за компрессором высокого давления;

и пропорционально указанному отношению комплекса повышают предварительно выбранное для нормальных условий для соответствующего топливного коллектора ФКС значение π_фк.

3. Способ управления по п. 1, отличающийся тем, что установленное при включении в работу каждого из топливных коллекторов ФКС значение отношения давлений в заданных сечениях двигателя ограничивают снизу сформированным номинальным значением π_ном.