Способ защиты газотурбинного двигателя от перегрева на запуске Российский патент 2023 года по МПК F02C9/28 

Изобретение относится к области управления газотурбинными двигателями, в частности, к способам защиты газотурбинных двигателей от перегрева на запуске.

Известен способ защиты газотурбинного двигателя (ГТД) от перегрева на запуске во время работы стартера, заключающийся в измерении температуры газов за турбиной двигателя Т_Т стандартной (инерционной) и малоинерционной термопарами, сравнении сигнала малоинерционной термопары с заданным (предельным) значением Т_Т^{УСТ зап}, кратковременном прекращении подачи топлива G_Т в камеру сгорания при превышении сигналом малоинерционной термопары заданного значения Т_Т^{УСТ зап} и одновременном включении системы зажигания на заданное время (Патент RU 1356604, МПК F02C 9/28, F02C 7/26, опубл. 15.05.1994).

Недостатками данного аналога являются:

Ограниченный диапазон работы, т.к. способ функционирует только во время работы стартера, а не в процессе всего запуска ГТД.

Повышенный риск повторного срабатывания системы защиты из-за возможных избытков подачи топлива G_Т в камеру сгорания ГТД, например, в первоначальный момент после отключения стартера.

Низкая отказоустойчивость системы. Так, при отказе малоинерционных термопар автоматическая система защиты от перегрева на запуске перестает работать, что может привести к воздействию повышенных температур на детали горячей части ГТД на запуске.

Известен способ защиты турбины газотурбинного двигателя от перегрева на запуске, выбранный в качестве прототипа, и в котором ряд вышеуказанных недостатков исключен (Патент RU 2315885, МПК F02C 9/28, опубл. 27.01.2008). Известный способ заключается в измерении температуры газов за турбиной газотурбинного двигателя Т_Т с помощью малоинерционных термопар (с открытым спаем) и с помощью стандартных термопар (с закрытым спаем), формировании предельного значения температуры газов за турбиной на запуске Т_Т^{УСТ зап}, сравнении температуры газов Т_Т, измеренной с помощью термопар с открытым спаем с предельным значением Т_Т^УСТзап, кратковременном прекращении подачи топлива G_Т в камеру сгорания двигателя на запуске при превышении Т_Т, измеренной с помощью термопар с открытым спаем, над Т_Т^УСТзап, включении на заданное время агрегата зажигания, возобновлении пониженной на 9-11 % подачи топлива G_Т в камеру сгорания после снижения измеренной с помощью блока термопар с открытым спаем температуры газов Т_Т ниже предельного значения Т_Т^{УСТ зап}.

Недостатком прототипа является низкая отказоустойчивость способа, в частности, потеря функции защиты от перегрева ГТД в случае отказа термопар с открытым спаем.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения и не может быть реализовано при использовании прототипа, является повышение температуры газов и перегрев горячей части ГТД.

Технической задачей изобретения является повышение отказоустойчивости способа защиты турбины ГТД от перегрева в случае отказа термопар с открытым спаем.

Поставленная задача достигается тем, что в способе защиты газотурбинного двигателя от перегрева на запуске, заключающемся в измерении температуры газов за турбиной газотурбинного двигателя Т_Т с помощью термопар с открытым спаем и с помощью термопар с закрытым спаем, формировании предельного значения температуры газов за турбиной на запуске Т_Т^{УСТ зап}, сравнении температуры газов за турбиной Т_Т, измеренной с помощью термопар с открытым спаем, с предельным значением Т_Т^{УСТ зап}, кратковременном прекращении подачи топлива G_Т в камеру сгорания двигателя на запуске при превышении Т_Т, измеренной с помощью термопар с открытым спаем, значения Т_Т^{УСТ зап}, включении на заданное время агрегата зажигания, возобновлении пониженной подачи топлива G_Т в камеру сгорания после снижения температуры газов Т_Т, измеренной с помощью термопар с открытым спаем, ниже предельного значения Т_Т^{УСТ зап}, при этом дополнительно для каждого типа газотурбинного двигателя заранее определяют максимальную разницу А между значениями температуры газов Т_Т на запуске, измеренной с помощью термопар с открытым спаем и с помощью термопар с закрытым спаем, кроме того, в процессе запуска газотурбинного двигателя определяют исправность термопар с открытым спаем, в случае выявления отказа термопар с открытым спаем измерение температуры газов на запуске осуществляют с помощью термопар с закрытым спаем, при этом уменьшают предельное значения температуры газов на запуске Т_Т^{УСТ зап} на величину А, а прекращение подачи топлива G_Т в камеру сгорания двигателя осуществляют на время превышения Т_Т на запуске, измеренной с помощью термопар с закрытым спаем, над величиной (Т_Т^{УСТ зап} - А).

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующая заявляемый способ.

Устройство содержит блок 1 термопар с открытым спаем, блок 2 термопар с закрытым спаем, блок 3 датчиков и сигнализаторов параметров ГТД, электронный регулятор 4, дозатор топлива 5, включающий клапан останова 5.1, агрегат зажигания 6, ГТД 7.

Блок 1 термопар с открытым спаем (спай не экранирован защитным корпусом и размещен непосредственно в газовом потоке) обеспечивает малоинерционное измерение температуры Т_Т на выходе из турбины в процессе запуска. Выход блока 1 соединен с электронным регулятором 4 двигателя.

Блок 2 термопар с закрытым спаем (спай экранирован защитным корпусом) обеспечивает измерение температуры Т_Т на выходе из турбины при работе ГТД на режимах от малого газа до взлетного (максимального) режима. Выход блока 2 соединен с электронным регулятором 4 двигателя.

Блок 3 датчиков и сигнализаторов параметров ГТД представляет собой совокупность датчиков и сигнализаторов (не показаны), которые обеспечивают измерение положения рычага управления двигателем и внешних параметров условий полета (температуры и давления воздуха на входе в ГТД Твх^*, Рвх^*), измерение параметров рабочего процесса ГТД 7 (частоты вращения роторов высокого n_вд и низкого n_нд давлений, давления воздуха за компрессором Рк^*, температуры газов за турбиной Тг двигателя и др.), измерение управляющих воздействий (расхода топлива Gт в камере сгорания, положения элементов механизации компрессора), положение иных элементов ГТД 7 и самолета. Выходная информация из блока 3 поступает на вход электронного регулятора 4 двигателя.

Электронный регулятор 4 ГТД 7 представляет специализированную цифровую вычислительную машину, оснащенную устройствами ввода/вывода для получения входной информации, формирования управляющих воздействий и информационных сигналов (не показаны) согласно заданным программам управления для обеспечения необходимого уровня тяги и надежной работы ГТД.

Электронный регулятор 4 двигателя является основным устройством цифровой системы управления типа FADEC (Full Authority Digital Engine Control). Таким устройством, например, в составе турбореактивного двухконтурного двигателя ПС-90А для Ил-96-300 и Ту-214/-204 является электронный регулятор двигателя РЭД-90. В иностранной патентной и технической литературе электронный регулятор 4 двигателя именуется как электронный контроллер двигателя EEC (electronic engine controller), блок управления двигателем ECU (engine control unit), блок DECU (Digital Electronic Control Unit) или электронный регулятор FADEC.

В электронном регуляторе 4 согласно изобретению осуществляется:

Формирование предельного значения температуры газов за турбиной на запуске Т_Т^{УСТ зап}, сравнение температуры газов Т_Т, измеренной с помощью блока 1 термопар с открытым спаем с предельным значением Т_Т^{УСТ зап}, формирование управляющего воздействия на кратковременное прекращение подачи топлива G_Т в камеру сгорания при превышении Т_Т, измеренной с помощью термопар с открытым спаем, над Т_Т^{УСТ зап}, включение на заданное время агрегата зажигания, формирование управляющего воздействия на возобновление пониженной подачи топлива G_Т в камеру сгорания после снижения измеренной с помощью блока 1 термопар с открытым спаем температуры газов Т_Т ниже предельного значения Т_Т^{УСТ зап}.

Контроль исправности термопар с открытым спаем. Методы контроля термопар - любые известные, например, допусковый контроль по выходу за рабочий диапазон измерения и/или контроль целостности электрических цепей термопар на предмет отсутствия обрыва или короткого замыкания. В случае выявления отказа термопар с открытым спаем в электронном регуляторе осуществляется измерение температуры Т_Т газов на запуске с помощью термопар с закрытым спаем, при этом уменьшают предельное значения температуры газов на запуске Т_Т^{УСТ зап} на величину А, а прекращение подачи топлива G_Т в камеру сгорания двигателя осуществляют на время превышения измеренной с помощью термопар с закрытым спаем Т_Т на запуске величины (Т_Т^{УСТ зап} - А).

Величина А - заранее определенная максимальная разница между значениями температуры газов Т_Т на запуске, измеренной с помощью термопар с открытым спаем и с помощью термопар с закрытым спаем. Ясно, что величина А для каждого типа газотурбинного двигателя должна быть обоснована как статистически, так и математическим моделированием.

Первый выход электронного регулятора 4 соединен с дозатором 5 топлива, второй выход электронного регулятора 4 соединен с агрегатом зажигания 6.

Дозатор 5 топлива предназначен для автоматического управления подачей топлива в камеру сгорания ГТД 6 по заданным программам. Обычно в статике и в динамике электронный регулятор 4, подавая электрическую команду в дозатор 5, обеспечивает перемещение дозирующего элемента дозатора до тех пор, пока фактическое значение расхода топлива Gт, определяемое электронным регулятором 4, не сравняется с расчетным, которое необходимо в данный момент для поддержания требуемого уровня тяги ГТД и/или исключения превышения параметрами ГТД заданных значений.

Клапан 5.1. останова является элементом дозатора 5 и представляет собой типовой отсечной электромагнитный клапан, перекрывающий магистраль подачи топлива Gт в камеру сгорания ГТД 7 по команде из электронного регулятора 4 в случае превышения Т_Т заданного (предельного) значения температуры газов на запуске Т_Т^{УСТ зап}.

Агрегат зажигания 6 предназначен для бесперебойного искрообразования и розжига топливовоздушной смеси в камере сгорания ГТД.

ГТД 7 - любой известный тип газотурбинного двигателя или газотурбинной установки. Однако специалистам в области двигателестроения ясно, что предпочтительно, чтобы ГТД был оснащен камерой сгорания с достаточными запасами устойчивой работы, способными обеспечить надежную и бесперебойную работу камеры при кратковременных прекращениях подачи топлива, вызванных срабатыванием системы защиты двигателя от перегрева на запуске или иных защитных систем.

Способ осуществляется следующим образом: в процессе запуска ГТД с помощью блока 1 термопар с открытым спаем обеспечивается малоинерционное измерение температуры Т_Т на выходе из турбины. В случае превышения измеренного значения температуры Т_Т заданного (предельного) значения температуры газов на запуске Т_Т^{УСТ зап} электронный регулятор 4 в автоматическом режиме формирует управляющее воздействие в дозатор 5 для включения отсечного электромагнитного клапана, полностью перекрывающего магистраль подачи топлива в камеру сгорания ГТД 7, одновременно электронный регулятор 4 формирует управляющее воздействие для включения блока зажигания. После прекращения подачи топлива в камеру сгорания происходит снижение температуры газов Т_Т и при Т_Т > Т_Т^{УСТ зап} в электронном регуляторе 4 формируется управляющее воздействие на возобновление пониженной подачи Gт в камеру сгорания ГТД.

В случае, если в процессе запуска ГТД или ранее произошел отказ блока 1 термопар с открытым спаем, например, из-за обрыва электропроводки данного типа термопар, электронный регулятор выявляет этот отказ и занижает Т_Т^{УСТ зап} на заранее определенную величину А, представляющую собой разницу между значениями температуры газов Т_Т на запуске, измеренной с помощью термопар с открытым спаем и с помощью термопар с закрытым спаем. Далее управление теплового состояния деталей турбины ГТД осуществляется на основе измерений Тт с помощью блока 2 термопар с закрытым спаем. При этом кратковременное прекращение подачи топлива G_Т в камеру сгорания двигателя осуществляют на время превышения Т_Т на запуске, измеренной с помощью термопар с закрытым спаем, над величиной (Т_Т^{УСТ зап} - А).

Устройство, реализующее заявляемый способ, было апробировано на различных типах турбореактивных двигателей разработки АО «ОДК-Авиадвигатель. Было выявлено, что на запуске авиационных двигателей типа ПС-90А, ПД-14 измеренное значение Тт по данным хромель-алюмелевых термопар с открытым спаем на 50…150 °С превышает измеренное значение Тт по данным блока хромель-алюмелевых термопар с закрытым спаем, данная разница в показаниях была выбрана в качестве параметра А. Специалистам в области управления ГТД ясно, что конкретную величину А легко обеспечить соответствующей подрегулировкой величины Т_Т^{УСТ зап}. Было установлено, что устройство надежно исключило повышение температуры газов и перегрев горячей части ГТД путем кратковременного прекращения подачи топлива в случае отказа термопар с открытым спаем и применения термопар с закрытым спаем согласно предлагаемому изобретению.

Изобретение относится к области управления газотурбинными двигателями, в частности к способам защиты газотурбинных двигателей от перегрева на запуске. Способ защиты турбины газотурбинного двигателя от перегрева на запуске заключается в том, что осуществляют измерение температуры газов за турбиной газотурбинного двигателя Т_Т с помощью термопар с открытым спаем и с помощью термопар с закрытым спаем, формирование предельного значения температуры газов за турбиной на запуске Т_Т^{УСТ зап}, сравнение температуры газов Т_Т, измеренной с помощью термопар с открытым спаем, с предельным значением Т_Т^{УСТ зап}, кратковременное прекращение подачи топлива G_Т в камеру сгорания двигателя на запуске при превышении Т_Т, измеренной с помощью термопар с открытым спаем, величины Т_Т^{УСТ зап}, включение на заданное время агрегата зажигания, возобновление пониженной подачи топлива G_Т в камеру сгорания после снижения температуры газов Т_Т, измеренной с помощью блока термопар с открытым спаем, ниже предельного значения Т_Т^{УСТ зап}, при этом дополнительно для каждого типа газотурбинного двигателя заранее определяют разницу А между значениями температуры газов Т_Т на запуске, измеренной с помощью термопар с открытым спаем и с помощью термопар с закрытым спаем, кроме того, в процессе запуска газотурбинного двигателя определяют исправность термопар с открытым спаем, в случае выявления отказа термопар с открытым спаем измерение температуры газов на запуске осуществляют с помощью термопар с закрытым спаем, при этом уменьшают предельное значение температуры газов на запуске Т_Т^{УСТ зап} на величину А, равную 50…150°С, а прекращение подачи топлива G_Т в камеру сгорания двигателя осуществляют на время превышения измеренной с помощью термопар с закрытым спаем Т_Т на запуске над величиной Т_Т^{УСТ зап} - А. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ защиты турбины газотурбинного двигателя от перегрева на запуске, заключающийся в измерении температуры газов за турбиной газотурбинного двигателя Т_Т с помощью термопар с открытым спаем и с помощью термопар с закрытым спаем, формировании предельного значения температуры газов за турбиной на запуске Т_Т^{УСТ зап}, сравнении температуры газов Т_Т, измеренной с помощью термопар с открытым спаем, с предельным значением Т_Т^{УСТ зап}, кратковременном прекращении подачи топлива G_Т в камеру сгорания двигателя на запуске при превышении Т_Т, измеренной с помощью термопар с открытым спаем, величины Т_Т^{УСТ зап}, включении на заданное время агрегата зажигания, возобновлении пониженной подачи топлива G_Т в камеру сгорания после снижения температуры газов Т_Т, измеренной с помощью блока термопар с открытым спаем, ниже предельного значения Т_Т^{УСТ зап}, отличающийся тем, что дополнительно для каждого типа газотурбинного двигателя заранее определяют разницу А между значениями температуры газов Т_Т на запуске, измеренной с помощью термопар с открытым спаем и с помощью термопар с закрытым спаем, кроме того, в процессе запуска газотурбинного двигателя определяют исправность термопар с открытым спаем, в случае выявления отказа термопар с открытым спаем измерение температуры газов на запуске осуществляют с помощью термопар с закрытым спаем, при этом уменьшают предельное значение температуры газов на запуске Т_Т^{УСТ зап} на величину А, а прекращение подачи топлива G_Т в камеру сгорания двигателя осуществляют на время превышения измеренной с помощью термопар с закрытым спаем Т_Т на запуске над величиной Т_Т^{УСТ зап} – А.

2. Способ защиты турбины газотурбинного двигателя от перегрева на запуске по п.1, отличающийся тем, что параметр А составляет величину 50…150°С.