Способ управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания Российский патент 2022 года по МПК F02C9/28 F02C9/26 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 (ФК).

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания, включающий управление расходом топлива в форсажную камеру сгорания по измеренным температуре воздуха на входе в двигатель, давлению воздуха за компрессором, положению рычага управления двигателем, управление гидроцилиндрами привода створок реактивного сопла по измеренным перепаду давлений газа на турбине двигателя, в котором дополнительно формируют заданное значение пускового расхода топлива в форсажную камеру сгорания по измеренным давлению воздуха за компрессором и температуре воздуха на входе в двигатель, подают в форсажную камеру сгорания пусковой расход форсажного топлива, включают агрегат зажигания форсажной камеры сгорания, контролируют розжиг форсажной камеры сгорания, дополнительно измеряют частоту вращения ротора турбокомпрессора до достижения заранее выбранного значения частоты вращения ротора турбокомпрессора и поддерживают постоянное положение гидроцилиндров привода створок реактивного сопла, при котором обеспечивается заранее выбранное значение площади критического сечения реактивного сопла, и блокируют подачу топлива в основные коллекторы форсажной камеры сгорания (RU 2705500 C1, F02C 9/28, 2018).

В результате анализа известного способа необходимо отметить, что указанный способ не учитывает, что условия в форсажной камере до момента ее розжига и после отличаются, в связи с чем целесообразно использовать разные программы расхода Gт топлива в пусковой коллектор при розжиге и на рабочих режимах ФК, при которых снижается расход на рабочих режимах для обеспечения минимального приращения тяги при включении форсажной камеры на режиме минимального форсирования.

Также указанный способ не учитывает, что в зависимости от условий работы ГТД необходимо корректировать расход топлива в пусковой коллектор ФК, и использование единой программы, например постоянного приведенного расхода топлива, не обеспечивает устойчивое горение топлива в ФК при малых расходах воздуха через ГТД.

Снижение давления и температуры потока газа на входе в форсажную камеру в высотных условиях создает проблемы с запуском ее в работу и ограничивает область ее устойчивой работы.

Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении устойчивого розжига и работы форсажной камеры сгорания во всех условиях работы ГТД.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение качества управления ГТД за счет расширения области устойчивой работы форсажной камеры сгорания при сохранении значения минимальной форсажной тяги.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания по измеренным температуре воздуха на входе в двигатель и давлению воздуха за компрессором рассчитывают расход Gт_ЗАП форсажного топлива для розжига форсажной камеры сгорания, подают в пусковой коллектор форсажной камеры сгорания расход Gт_ЗАП форсажного топлива, управляют агрегатом зажигания форсажной камеры сгорания и контролируют розжиг форсажной камеры сгорания, по измеренным температуре воздуха на входе в двигатель и давлению воздуха за компрессором дополнительно рассчитывают основной расход Gт_ОСН форсажного топлива в пусковой коллектор форсажной камеры сгорания, до момента подтверждения розжига форсажной камеры сгорания подают в пусковой коллектор расход Gт_ЗАП форсажного топлива для розжига форсажной камеры сгорания, а после подтверждения розжига форсажной камеры сгорания подают в пусковой коллектор основной расход Gт_ОСН.

Существенные признаки могут иметь развитие и продолжение.

Дополнительно заранее выбирают пороговую величину Рк_пор давления воздуха за компрессором, при давлении воздуха за компрессором ниже пороговой величины Рк_пор после подтверждения розжига форсажной камеры сгорания подают в пусковой коллектор расход топлива в диапазоне, который ограничен снизу величиной основного расхода Gт_ОСН, а сверху расходом Gт_ЗАП для розжига.

Дополнительно рассчитывают величину основного расхода Gт_ОСНпор форсажного топлива при пороговой величине Рк_пор давления воздуха за компрессором и измеренной температуре воздуха на входе в двигатель, и ограничивают снизу основной расход Gт_ОСН величиной, являющейся минимумом из расхода Gт_ЗАП форсажного топлива для розжига при текущих условиях работы газотурбинного двигателя, и величины Gт_ОСНпор.

Заявленное изобретение поясняется следующим подробным описанием его осуществления со ссылкой на графические материалы, на которых представлены:

на фиг. 1 - схема системы управления ГТД с ФК;

на фиг. 2 - график функциональной зависимости расхода топлива в пусковой коллектор ФК от давления воздуха за компрессором при температуре Твх воздуха на входе в двигатель, равной 15°С;

на фиг. 3 - график функциональной зависимости расхода топлива в пусковой коллектор ФК на основном режиме работы.

Система управления для реализации заявленного способа (фиг. 1) содержит задатчик 1 основного расхода Gт_ОСН форсажного топлива, задатчик 2 расхода Gт_ЗАП. Выходы задатчиков 1 и 2 подключены соответственно к первому и второму входам управляемого переключателя 3. Выход управляемого переключателя 3 подключен к дозатору 4 форсажного топлива (ДТФ) в пусковой коллектор ФК 5 ГТД 6. Контроль горения ФК 5 осуществляется датчиком 7 (ДП) горения топлива. Выход датчика 7 управляет переключением управляемого переключателя 3. Параметры работы двигателя измеряются блоком 8 датчиков. Блок 8 датчиков содержит датчик температуры Твх воздуха на входе в двигатель и датчик давления Рк воздуха за компрессором. Выход датчика Рк подключен к первым входам задатчиков 1 и 2. Выход датчика Твх подключен к вторым входам задатчиков 1 и 2.

В соответствии с п. 2 формулы настоящего изобретения может быть выбрана любая форма программы подачи расхода топлива в пусковой коллектор после подтверждения розжига ФК 5, лежащая в пределах от Gт_ОСН до Gт_ЗАП (см. пунктир на фиг. З).

Для реализации способа по п. 3 настоящей формулы система дополнительно содержит второй задатчик 9 основного расхода форсажного топлива в пусковой коллектор ФК 5, идентичный задатчику 1, селектор 10 минимального уровня и селектор 11 максимального уровня, а также задатчик 12 постоянного сигнала.

Выход задатчика 12 постоянного сигнала подключен к первому входу задатчика 9, ко второму входу которого подключен выход датчика температуры Твх воздуха на входе в двигатель. Выход задатчика 9 подключен к первому входу селектора 10, ко второму входу которого подключен выход задатчика 2. Выход селектора 10 подключен ко второму входу селектора 11, к первому входу которого подключен выход задатчика 1. Выход селектора 11 подключен к первому входу переключателя 3 вместо выхода задатчика 1.

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

В качестве датчиков могут быть использованы стандартные датчики контроля параметров работы ГТД 6, например, терморезистивные датчики температуры, резистивные датчики давлений, стандартные линейные дифференциальные трансформаторы для измерения линейных или угловых перемещений.

Задатчики 1 и 9 являются стандартными и реализуют следующую известную функциональную зависимость:

например вида:

где const 1 - постоянное значение.

При этом величина основного расхода Gт_ОСН выбирается из условия обеспечения минимального приращения тяги на минимальном форсированном режиме.

Задатчик 2 является стандартным и реализует следующую известную функциональную зависимость:

На фиг. 2 представлен график возможных функциональных зависимостей в координатах Gт, Рк при Твх, равным 15°С.

Для розжига ФК 5 используется расход с обогащением зоны горения по мере снижения расхода воздуха через двигатель для обеспечения устойчивого розжига. Фактические зависимости определяются расчетно-экспериментальным путем.

Переключатель 3 является стандартным и выбран таким образом, что при подаче на его управляемый вход сигнала логической единицы, переключатель 3 подключает к своему выходу свой первый вход, соответственно, при подаче на управляемый вход переключателя 3 сигнала логического нуля, к выходу переключателя 3 подключен его второй вход.

В качестве датчика 7 горения топлива в ФК 5 может быть использован известный ионизационный датчик пламени. Выходом датчика является логический сигнал: 1 - есть горение, 0 - нет горения.

Селекторы 10 и 11 являются стандартными.

Задатчик 12 является стандартным задатчиком постоянного значения. Задатчик 12 формирует значение Рк_пор. Данное значение выбирается расчетно-экспериментальным путем и характеризует область работы двигателя, при которой не обеспечивается устойчивое горение топлива в форсажной камере при дозировании основного расхода Gт_ОСН и необходимо увеличение данного расхода.

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

При переводе рычага управления двигателем (РУД) в форсажную область электронный регулятор подает команду на начало дозирования топлива в ФК 5 ГТД 6 и включение агрегата зажигания (устройства на схеме не показаны).

Задатчики 1 и 2 по показаниям датчиков Твх и Рк рассчитывают расходы топлива: основной расход Gт_ОСН и расход Gт_ЗАП форсажного топлива для розжига ФК 5 соответственно.

ФК 5 не запущена, горения топлива в ней нет, и на выходе датчика 7 формируется сигнал логического нуля, согласно которому переключатель 3 подключает к своему выходу второй вход. К дозатору 4 форсажного топлива в пусковой коллектор ФК 5 подключается сигнал задатчика 2 расхода форсажного топлива для розжига ФК 5.

Дозатор 4 подает топливо в пусковой коллектор ФК 5, после заполнения коллектора топливом оно через форсунки распыляется и, т.к. работает агрегат зажигания, загорается. Датчик 7 фиксирует горение топлива в ФК 5, формирует на своем выходе сигнал логической единицы, согласно которому переключатель 3 меняет свое состояние: к дозатору 4 оказывается подключен сигнал с задатчика 1. Одновременно с этим электронный регулятор выключает агрегат зажигания.

Согласно выбранным зависимостям основной расход Gт_ОСН форсажного топлива меньше расхода Gт_ЗАП поэтому сразу после воспламенения топлива расход снижается, обеспечивая минимальное приращение тяги относительно максимального режима работы двигателя.

При эксплуатации двигателя в высотных условиях по мере снижения скорости и увеличения высоты полета снижается давление воздуха за компрессором и давление газа в ФК 5, условия горения топлива в ФК 5 ухудшаются, и выбранная, исходя из законов приведения, зависимость основного расхода форсажного топлива от параметров работы ГТД 6 перестает обеспечивать надежное горение топлива в ФК 5, поэтому необходимо увеличивать расход в ФК 5 относительно основной программы дозирования.

Рассмотрим осуществление способа по п. 2 формулы изобретения в части коррекции основного расхода Gт_ОСН форсажного топлива.

Задатчик 12 формирует на своем выходе постоянный сигнал, численно равный величине давления воздуха за компрессором двигателя, при котором следует начинать коррекцию расхода топлива в пусковой коллектор ФК 5.

Задатчик 9 формирует на своем выходе величину основного расхода Gт_ОСНпор расхода топлива при Рк, равном Рк_пор. Пока расход Gт_ОСНпор меньше, чем Gт_ЗАП селектор 10 минимального уровня выбирает сигнал задатчика 9, иначе - сигнал задатчика 2. На фиг. 3 пунктиром показано выходное значение MIN₁₀ селектора 10 минимального уровня.

Пока сигнал, сформированный селектором 10 минимального уровня, меньше основного расхода Gт_ОСН, формируемого задатчиком 1, на первый вход переключателя 3 поступает сигнал задатчика 1, иначе - селектора 11.

Таким образом, при условиях работы ФК 5 при давлении воздуха за компрессором выше выбранного порога, коррекции основного расхода Gт_ОСН не происходит, ниже - следует постепенное обогащение зоны горения, вплоть до совпадения с расходом Gт_ЗАП. На фиг. 3 жирной линией показана итоговая зависимость расхода топлива от давления воздуха за компрессором, формируемая селектором 11 максимального уровня (МАХ₁₁) и дозируемая в ФК 5 на основном режиме работы.

Заявленный способ обеспечивает устойчивое горение топлива в ФК 5 во всей области эксплуатации двигателя.

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения. Способ управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания заключается в том, что по измеренным температуре воздуха на входе в двигатель и давлению воздуха за компрессором рассчитывают расход Gт_ЗАП форсажного топлива для розжига форсажной камеры сгорания, подают в пусковой коллектор форсажной камеры сгорания расход Gт_ЗАП форсажного топлива, управляют агрегатом зажигания форсажной камеры сгорания и контролируют розжиг форсажной камеры сгорания, при этом по измеренным температуре воздуха на входе в двигатель и давлению воздуха за компрессором дополнительно рассчитывают основной расход Gт_ОСН форсажного топлива в пусковой коллектор форсажной камеры сгорания, до момента подтверждения розжига форсажной камеры сгорания подают в пусковой коллектор расход Gт_ЗАП форсажного топлива для розжига форсажной камеры сгорания, а после подтверждения розжига форсажной камеры сгорания подают в пусковой коллектор основной расход Gт_ОСН. Технический результат - повышение качества управления газотурбинным двигателем за счет расширения области устойчивой работы форсажной камеры сгорания при сохранении значения минимальной форсажной тяги. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания, заключающийся в том, что по измеренным температуре воздуха на входе в двигатель и давлению воздуха за компрессором рассчитывают расход Gт_ЗАП форсажного топлива для розжига форсажной камеры сгорания, подают в пусковой коллектор форсажной камеры сгорания расход Gт_ЗАП форсажного топлива, управляют агрегатом зажигания форсажной камеры сгорания и контролируют розжиг форсажной камеры сгорания, отличающийся тем, что по измеренным температуре воздуха на входе в двигатель и давлению воздуха за компрессором дополнительно рассчитывают основной расход Gт_ОСН форсажного топлива в пусковой коллектор форсажной камеры сгорания, до момента подтверждения розжига форсажной камеры сгорания подают в пусковой коллектор расход Gт_ЗАП форсажного топлива для розжига форсажной камеры сгорания, а после подтверждения розжига форсажной камеры сгорания подают в пусковой коллектор основной расход Gт_ОСН.

2. Способ управления по п. 1, отличающийся тем, что заранее выбирают пороговую величину Рк_пор давления воздуха за компрессором, при давлении воздуха за компрессором ниже пороговой величины Рк_пор после подтверждения розжига форсажной камеры сгорания подают в пусковой коллектор расход топлива в диапазоне, который ограничен снизу величиной основного расхода Gт_ОСН, а сверху расходом Gт_ЗАП для розжига.

3. Способ управления по п. 2, отличающийся тем, что дополнительно рассчитывают величину основного расхода Gт_ОСНпор форсажного топлива при пороговой величине Рк_пор давления воздуха за компрессором и измеренной температуре воздуха на входе в двигатель и ограничивают снизу основной расход Gт_ОСН величиной, являющейся минимумом из расхода Gт_ЗАП форсажного топлива для розжига при текущих условиях работы газотурбинного двигателя и величины Gт_ОСНпор.