СПОСОБ СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ВИБРАЦИИ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2022 года по МПК G01M15/14 B64C17/00 F01D5/16 

Изобретение относится к газотурбинным двигателям, в частности, к способам снижения уровня вибрации, возникающей на резонансных частотах вращения ротора или роторов двухвального ГТД летательного аппарата и может быть использовано в судовой технике и наземных газотурбинных установках.

Известен способ снижения уровня вибрации при испытании газотурбинных двигателей, заключающийся в исследовании основных параметров узлов турбокомпрессорной части двигателя, включающих исследования посадки вала компрессора низкого давления (КНД) (патент РФ 2171460, G01M 15/14, G01M 15/00, опубликовано: 27.01.2001). В сборочном цехе при обнаружении отличия диаметров узел дорабатывают, при превышении биения КНД подбирают положение с минимальным биением, при неполучении посадки диска турбовинтового двигателя (ТВД) на вал КВД также производят доработку диска ТВД для обеспечения посадки с определенным натягом, исследуют дисбаланс облопаченных дисков, при этом дополнительно проводят исследования узлов допуска прямолинейности в дисках высокого и низкого давления. Таким образом, за счет исследования дополнительных узлов и устранения в них дефектов, влияющих на снижение вибрации данных узлов и двигателя в целом, существенно снижается уровень вибрации ГТД.

Недостатком аналога является невозможность его применения в эксплуатирующих организациях, а только на заводе-изготовителе при сборке двигателя.

Известен способ снижения уровней вибраций лопаточного колеса газотурбинного двигателя (патент FR 2447293, F01D 5/16, опубликовано: 10.04.2012), содержащем, по меньшей мере, одно и второе лопаточное колесо, когда эти колеса осуществляют движение по отношению друг к другу вокруг оси вращения и через них проходит газообразная текучая среда.

Способ также имеет аналогичный недостаток, а именно - контроль и снижение уровня вибрации осуществляется на стадии разработки и проектирования двигателя.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ снижения вибрации в рабочих лопатках турбомашины (патент РФ 2598985, опубликовано: 10.10.2016), при котором измеряют температуру газа перед или за турбиной, выявляют анализом температурного поля одноименную с резонансной гармонику и уменьшают ее амплитуду, для чего корректируют температурное поле изменением подачи топлива в форсунки камеры сгорания, осуществляют путем прекращения его подачи по меньшей мере в одну из форсунок на резонансном режиме, после прохождения которого подачу топлива восстанавливают.

Прототип также имеет существенный недостаток - при уменьшении количества подаваемого топлива путем отключения форсунок значительно снижается тяга двигателя, неожиданно для летчика снижается скорость ЛА, что влияет на безопасность полета.

Цель изобретения заключается в снижении повышенного уровня вибрации двигателя, возникающей на резонансных частотах (N_РЕЗ) на установившемся режиме работы двигателя без изменения режима работы и практически неизменной тяге двигателя, причем, снижение уровня вибрации возможно на двигателях, резонансные частоты которого точно не определены.

Поставленная цель достигается тем, что снижение уровня вибрации газотурбинного двигателя летательного аппарата на установившемся режиме работы, возникающей на резонансных частотах, достигается изменением частоты вращения ротора двигателя одной или двумя последовательными корректировками α_РНА - углов установки лопаток регулируемого направляющего аппарата компрессора.

Согласно изобретению предложен способ снижения уровня вибрации газотурбинного двигателя летательного аппарата, возникающей при работе двигателя на резонансных частотах, заключающийся в изменении частоты вращения ротора двигателя. Изменение частоты вращения ротора двигателя реализуется путем корректировки положения углов установки лопаток регулируемого направляющего аппарата компрессора на несколько градусов, в случае дальнейшего роста вибрации корректировка выполняется в противоположном направлении, корректировку проводит система автоматического управления двигателя при приближении к предельно допустимому уровню вибрации на установившемся режиме работы, при переходе двигателя на другой режим работы система автоматического управления восстанавливает измененные настройки положения углов установки лопаток регулируемого направляющего аппарата компрессора.

В рабочем диапазоне частоты вращения роторов встречаются резонансные частоты (рис. 1), которые зависят от множества факторов и часто не могут быть определены заранее. Так, в турбореактивном двухвальном двигателе наиболее опасная резонансная частота (N_РЕЗ) ротора высокого давления (РВД) зависит от частоты вращения ротора низкого давления, давления и температуры воздуха на входе в двигатель, конструкции и индивидуальных особенностей двигателя и т.д. Быстрое прохождение резонансной частоты при переходном режиме работы двигателя не представляет опасности, однако, если двигатель работает на резонансной или близкой к ней частоте некоторое время (установившийся режим) - вибрация начинает постепенно расти и превышает допустимую величину.

При работе двигателя система автоматического управления (САУ) устанавливает заданный угол α_РНА в зависимости от частоты вращения ротора высокого давления N_РВД (рис. 2).

Предлагается в программное обеспечение САУ ввести корректировку α_PHA на установившемся режиме работы двигателя при приближении уровня вибрации к предельно допустимому. Указанной корректировкой изменяется частота вращения ротора высокого давления, увеличение угла установки (открытие) приводит к снижению N_РВД, уменьшение (закрытие) - к росту N_РВД.

Корректировка α_РНА позволяет незначительно изменить N_РВД и уйти с резонансного режима, практически, без изменения тяги двигателя.

Если N_РЕЗ двигателя известна, изменение величины α_РНА выполняют таким образом, чтобы N_РВД отдалялась от резонансной частоты (путь А-В на рис. 1 и рис. 2).

Если N_РЕЗ точно не определена, изменение α_РНА может привести как к снижению (при удалении от пика резонансной частоты), так и к росту (при приближении к пику резонансной частоты) вибрации. САУ изменяет частоту вращения ротора изменением положения α_РНА (путь С - Д, рис. 1 и 2) и оценивает рост вибрации. При повышении вибрации САУ изменяет величину α_РНА в противоположную сторону (путь С - Е, рис. 1 и 2) для удаления от пика N_РЕЗ.

При переходе двигателя на другой режим работы (для ГТД ЛА -перемещением рычага управления двигателем) САУ автоматически убирает

корректировку α_РНА.

При последующих приближениях вибрации к максимально допустимому уровню, САУ двигателя повторяет методику по снижению вибрации.

Изобретение может быть применено с наибольшим эффектом при управлении турбореактивными авиационными двигателями, которые согласно ОТТ 4.1.3-86 должны обеспечивать автоматическую защиту двигателя от возникновения аварийных режимов работы.

Таким образом, техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность снижения повышенного уровня вибрации, возникающего на резонансных частотах вращения ротора, без изменения режима работы и практически неизменной тяге двигателя.

Изобретение относится к газотурбинным двигателям, в частности к способам снижения уровня вибрации, возникающей на резонансных частотах вращения ротора или роторов двухвального ГТД летательного аппарата, и может быть использовано в судовой технике и наземных газотурбинных установках. Сущность изобретения заключается в незначительном изменении частоты вращения ротора для ухода с резонансного режима путем временной корректировки положения лопаток регулируемого направляющего аппарата. В случае дальнейшего роста вибрации после корректировки САУ выполняет корректировку в противоположном направлении. Техническим результатом изобретения является возможность снижения повышенного уровня вибрации, возникающего на резонансных частотах вращения ротора, без изменения режима работы и практически неизменной тяге двигателя. 2 ил.

Способ снижения уровня вибрации газотурбинного двигателя летательного аппарата, возникающей при работе двигателя на резонансных частотах, заключающийся в изменении частоты вращения ротора двигателя, отличающийся тем, что изменение частоты вращения ротора двигателя реализуется путем корректировки положения углов установки лопаток регулируемого направляющего аппарата компрессора на несколько градусов, в случае дальнейшего роста вибрации корректировка выполняется в противоположном направлении, корректировку проводит система автоматического управления двигателя при приближении к предельно допустимому уровню вибрации на установившемся режиме работы, при переходе двигателя на другой режим работы система автоматического управления восстанавливает измененные настройки положения углов установки лопаток регулируемого направляющего аппарата компрессора.