Способ управления газотурбинным двигателем электронно-гидромеханической системой Российский патент 2023 года по МПК F02C9/00 

Изобретение относится к области авиационного газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в электронных системах автоматического управления с гидромеханическим резервированием.

Известен способ управления газотурбинным двигателем (ГТД), заключающийся в том, что в электронном регуляторе в зависимости от положения рычага управления двигателем и значений параметров ГТД по законам управления электронного регулятора формируют сигналы управления, которые подаются на исполнительные механизмы электронного регулятора; в гидромеханическом регуляторе в зависимости от положения рычага управления двигателем и значений параметров ГТД по законам управления гидромеханического регулятора формируют сигналы управления, которые подаются на исполнительные механизмы гидромеханического регулятора. При исправном состоянии электронного регулятора с помощью селектора, представляющего собой специальное электрогидравлическое переключающее устройство, блокируют (отсекают) сигналы на исполнительные механизмы гидромеханического регулятора и осуществляют управление ГТД от исполнительных механизмов электронного регулятора. При отказе электронного регулятора с помощью селектора блокируют сигналы на исполнительные механизмы электронного регулятора и осуществляют управление ГТД от исполнительных механизмов гидромеханического регулятора. В процессе выключения ГТД при завершении каждого полета осуществляют функциональный контроль исправности работы селектора (Патент RU 2313677, МПК F02C 9/28, опубл. 27.12.2007).

Типовой процедурой перехода от основной электронной автоматики на резервную гидромеханическую автоматику является снятие электронным регулятором электропитания с электромагнита селектора и одновременное обесточивание всех своих исполнительных механизмов, включая электрогидропреобразователь канала управления расходом топлива. При этом скорость перехода от электронной автоматики на резервную гидромеханическую автоматику зависит от времени срабатывания селектора, а именно от времени переключения электромагнита селектора и времени перекладки золотника селектора для блокировки (отсечки) исполнительных элементов электронного регулятора и подключения гидромеханического регулятора.

Основными недостатками этого способа и ему подобных аналогов (Патент RU 1642812, МПК F02C 9/28, опубл. 18.09.1989, Патент RU 2348824, МПК F02C 9/26, опубл. 10.03.2009, Патент RU 2638497, МПК F02C 9/00, опубл. 13.12.2017 , Патент RU 2661802, МПК F02C 9/00, опубл. 19.07.2018, Патент RU 2468229, МПК F02C 9/00, опубл. 27.11.2012, Статья «Автоматический контроль и диагностика систем управления силовыми установками летательных аппаратов», В.И. Васильев, М.: «Машиностроение», 1989 г., с. 23-27.) является то, что из-за различий программ регулирования электронного и гидромеханического регуляторов после отказа электронного регулятора возможны скачкообразные изменения расхода топлива в камере сгорания ГТД.

Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ управления ГТД (Патент RU 2308605, МПК F02C 9/00, опубл. 20.10.2007, заключающийся в том, что в электронном регуляторе с помощью датчиков электронного регулятора измеряют положение рычага управления двигателем и параметры ГТД, в зависимости от положения рычага управления двигателем и значения параметров ГТД по законам управления, реализованным в электронном регуляторе, формируют управляющие воздействия электронного регулятора на его исполнительные элементы; в гидромеханическом регуляторе с помощью датчиков гидромеханического регулятора, в зависимости от положения рычага управления двигателем и значения параметров ГТД по законам управления, реализованным в гидромеханическом регуляторе, формируют управляющие воздействия гидромеханического регулятора на его исполнительные элементы, при исправном состоянии электронного регулятора с помощью селектора блокируют (отсекают) управляющие воздействия гидромеханического регулятора и управление ГТД осуществляют от электронного регулятора, а при отказе электронного регулятора с помощью селектора блокируют (отсекают) управляющие воздействия электронного регулятора и управление ГТД осуществляют от гидромеханического регулятора, при этом при исправном электронном регуляторе управляющее воздействие от гидромеханического регулятора корректируют таким образом, чтобы оно было одинаково с управляющим воздействием от электронного регулятора, при отказе электронного регулятора корректируют управляющее воздействие гидромеханического регулятора таким образом, чтобы оно плавно, за заданное время, величину которого регулируют в зависимости от характеристик конкретного двигателя, изменилось от величины, равной управляющему воздействию электронного регулятора в момент переключения селектора до величины, сформированной гидромеханическим регулятором в зависимости от положения рычага управления двигателем и значения параметров ГТД по законам управления, реализованным в гидромеханическом регуляторе.

К основному недостатку прототипа относится то, что при облитерации (постепенном заиливании) проходного сечения прецизионной золотниковой пары селектора или при попадании частиц загрязнения в зазор прецизионной пары возможно увеличение усилия сдвига золотника селектора. Следствием этого может стать увеличение общего времени движения / перекладки золотника селектора, что, в свою очередь, при достаточно длительной перекладке золотника селектора может привести к ситуации, когда электронный регулятор уже не управляет ГТД, т.к. его исполнительные элементы (электрогидропреобразователи) уже обесточены, а гидромеханический регулятор еще не подключен к управлению ГТД, при этом расход топлива в камеру сгорания будет определяться положением исполнительных элементов электронного регулятора в обесточенном состоянии.

Подобная неуправляемость (разрыв в управлении) в определенной ситуации может привести к неконтролируемому существенному мгновенному забросу или провалу расхода топлива в камеру сгорания, что недопустимо.

Другим недостатком прототипа является сложность корректировки управляющего воздействия от гидромеханического регулятора таким образом, чтобы оно было одинаково с управляющим воздействием от электронного регулятора во всех ожидаемых условиях эксплуатации ГТД.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения и не может быть реализовано при использовании прототипа, является неконтролируемый заброс (провал) расхода топлива в камеру сгорания после отключения электронного регулятора и при увеличенном времени перекладки золотника селектора.

Технической задачей изобретения является повышение надежности работы электронно-гидромеханической системы автоматического управления ГТД за счет исключения неконтролируемых забросов (провалов) расхода топлива в камеру сгорания после отключения электронного регулятора и при увеличении времени перекладки селектора.

Техническая задача достигается тем, что в способе управления ГТД, заключающемся в том, что в электронном регуляторе с помощью датчиков электронного регулятора измеряют положение рычага управления двигателем и параметры ГТД, в зависимости от положения рычага управления двигателем и значения параметров ГТД по законам управления, реализованным в электронном регуляторе, формируют управляющие воздействия электронного регулятора на его исполнительные элементы; в гидромеханическом регуляторе с помощью датчиков гидромеханического регулятора, в зависимости от положения рычага управления двигателем и значения параметров ГТД по законам управления гидромеханического регулятора формируют управляющие воздействия гидромеханического регулятора на его исполнительные элементы, при исправном состоянии электронного регулятора с помощью селектора блокируют (отсекают) управляющие воздействия гидромеханического регулятора и управление ГТД осуществляют от электронного регулятора через его исполнительные элементы (электрогидропреобразователи, электромагниты), а при отказе электронного регулятора с помощью селектора блокируют (отсекают) управляющие воздействия электронного регулятора и управление ГТД осуществляют от гидромеханического регулятора, дополнительно при отказе электронного регулятора его управляющий сигнал на исполнительный элемент по расходу топлива сохраняют на время τ после выдачи управляющего сигнала на селектор, где τ – предельно допустимое значение времени перекладки золотника селектора, определяемое расчетно-экспериментальным путем для каждого типа ГТД.

Кроме того, согласно изобретению, в качестве предельно допустимого значения времени перекладки золотника селектора используют численное значение τ равное 3-7 с.

Сохранение управляющего сигнала на время τ равное, например, 3-7 с позволяет нам предотвращать возможные неконтролируемые забросы или провалы расхода топлива в камеру сгорания после отключения электронного регулятора и при увеличении времени перекладки селектора, что в целом повышает надежность работы ГТД. Специалистам в области управления ГТД ясно, что время τ не может исчисляться десятками секунд, т.к. при отключении электронного регулятора из-за его отказа или по команде пилота необходимо оперативно перейти на управление ГТД от исправного резервного гидромеханического регулятора.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующая заявляемый способ. Устройство содержит блок 1 электрических датчиков параметров ГТД, электронный регулятор 2, блок 3 гидромеханических датчиков параметров ГТД, гидромеханический насос-регулятор 4, ГТД 5.

Блок 1 представляет собой совокупность электрических датчиков и сигнализаторов, 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 5 (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 5 и самолета. Выходные сигналы датчиков блока 1 поступают на вход электронного регулятора 2.

Электронный регулятор 2 ГТД 5 представляет специализированную цифровую вычислительную машину, оснащенную устройствами ввода/вывода для получения входной информации, формирования управляющих воздействий на свои исполнительные элементы (электрогидропреобразователи, электромагниты) (не показаны) согласно заданным программам управления для обеспечения необходимого уровня тяги и надежной работы ГТД 5. Электронный регулятор 2 содержит систему встроенного контроля, предназначенную для своевременного выявления и парирования возникающих неисправностей отдельных элементов электронного регулятора и электрических датчиков блока 1. При выявлении недопустимого отказа система встроенного контроля автоматически отключает электронный регулятор 2 от управления ГТД 5.

Электронный регулятор 2 является основным устройством электронной системы управления ГТД. Примером такого устройства является электронный регулятор двигателя РЭД-90 из состава турбореактивного двухконтурного двигателя ПС-90А для Ил-96-300 и Ту-214/-204.

Блок 3 представляет собой совокупность механических или гидромеханических датчиков, которые обеспечивают измерение положения рычага управления двигателем, температуры воздуха на входе в ГТД Твх^*, основных параметров рабочего процесса ГТД 5 (частоты вращения ротора высокого давления, давления за компрессором и др.). Как правило, количество гидромеханических датчиков существенно меньше количества датчиков электронной части системы управления.

Гидромеханический насос-регулятор 4 предназначен для топливопитания, автоматического управления по заданным законам подачи топлива в камеру сгорания и управления геометрией компрессора ГТД 5 как по управляющим командам электронного регулятора 2, так и по управляющим командам самого гидромеханического насоса-регулятора 4. Как правило, количество программ управления в резервном гидромеханическом насосе-регуляторе 4 существенно меньше количества программ управления, реализованных в электронном регуляторе 2.

Гидромеханический насос-регулятор 4 содержит механизм селектирования сигналов 4.1, блок исполнительных элементов 4.2, управляемых от электронного регулятора 2, а также качающий узел для подачи топлива в камеру сгорания, узел управления расходом топлива в камере сгорания, механизм топливопитания гидроцилиндров (не показаны) и др.

Механизм селектирования сигналов 4.1 предназначен для переключения управления ГТД 5 от электронного регулятора 2 на гидромеханический насос-регулятор 4 в случае отключения электронного регулятора 2 и наоборот; состоит из электромагнитного клапана и золотникового узла.

Блок исполнительных элементов 4.2 содержит типовые электрогидропреобразователи типа ПС-7 и электромагниты. С помощью электрогидропреобразователей типа ПС-7 осуществляют управление расходом топлива в камере сгорания, управление аналоговой программой регулирования положения входного направляющего аппарата компрессора. Обычно аналоговые электрические сигналы из электронного регулятора 2 с помощью электрогидропреобразователей типа ПС-7 преобразуются в управляющие сигналы давления. Преобразованные в давление топлива команды подаются от преобразователей к исполнительному органу гидромеханического насоса-регулятора 4. С помощью электромагнитов обычно формируют релейные (дискретные) управляющие команды на силовые гидроцилиндры, например, для открытия/закрытия заслонок/лент перепуска воздуха в компрессоре.

ГТД 5 – любой известный тип газотурбинного двигателя или газотурбинной установки.

Устройство работает следующим образом. При исправном состоянии электронного регулятора 2 на его выходе формируется управляющее воздействие + 27В на электромагнитный клапан механизма селектирования 4.1 гидромеханического насоса-регулятора 4, в результате срабатывания электромагнитного клапана и перекладки золотника селектора управляющие воздействия гидромеханического насоса-регулятора 4 надежно блокируются (отсекаются). При этом по сигналам датчиков из блока 1 электронный регулятор 2 по заданным программам управления формирует управляющие воздействия в блок исполнительных элементов 4.2 гидромеханического насоса-регулятора 4, который с помощью качающего узла (не показан) обеспечивает подачу топлива в камеру сгорания для поддержания заданного уровня тяги ГТД 5.

В случае отказа электронного регулятора 2 управляющее воздействие + 27В на электромагнитный клапан механизма селектирования 4.1 снимается, клапан закрывается, происходит обратная перекладка золотника селектора. Однако управляющий электрический сигнал из электронного регулятора 2 на его исполнительный элемент типа ПС-7 по расходу топлива сохраняется, не обесточивается и не блокируется на некоторое время τ после выдачи управляющего сигнала + 27В на перекладку селектора.

Таким образом, в случае увеличения продолжительности перекладки селектора не более времени τ неуправляемости по каналу расхода топлива не происходит - разрыв в управлении ГТД от электроники и гидромеханики отсутствует, и, соответственно, возможные неконтролируемые забросы или провалы расхода топлива в камеру сгорания после отключения электронного регулятора и при увеличении времени перекладки селектора до 5 с надежно предотвращаются.

Заявляемый способ успешно апробирован в составе авиационного газотурбинного двигателя ПС-90А для самолетов Ту-204/-214 и Ил-96-300. Были полностью подтверждены функциональная работоспособность и эффективность способа управления двигателем, оснащенным электронно-гидромеханической системой автоматического управления типа САУ-90 разработки. Анализ возможных отказов гидромеханического насоса-регулятора НР-90 из состава САУ-90 при работе на загрязненном топливе позволил установить наиболее оптимальное значение предельно допустимого времени τ перекладки золотника селектора. Так, предпочтительно, чтобы параметр τ для данного типа электронно-гидромеханической САУ составил величину равную 5 с.

Выбор предельно допустимого значения времени τ на уровне, например, 7 с и более приведет, как отмечалось выше, к определённой задержке подключения исправного гидромеханического регулятора.

Средством для реализации заявленного способа является электронный регулятор двигателя РЭД-90, представляющий собой специализированную электронную цифровую вычислительную машину, работающую в реальном масштабе времени. Электронный регулятор РЭД-90 выполнен на базе микропроцессорного комплекта и оснащен устройствами сопряжения с электрическими датчиками, сигнализаторами, исполнительными элементами и системами двигателя и самолета.

Также на этапе приемо-сдаточных испытаний ГТД типа ПС-90А при снятии дроссельных характеристик двигателя выполняют поднастройку электронного регулятора и гидромеханического регулятора таким образом, чтобы расход топлива в камере сгорания двигателя от электронного регулятора был несколько выше, чем от гидромеханического регулятора, но в пределах заданного допуска (до 1…2 % по частоте вращения ротора высокого давления). Такой подход позволяет минимизировать колебания режима (тяги) при переключении с основной автоматики на резервную гидромеханическую систему и наоборот, но это не является целью изобретения.

Специалистам в области надежности САУ и ГТД ясно, что заблаговременно должно быть проанализировано поведение каждой САУ при отказах всех типов её исполнительных элементов, в т.ч. при заедании / заклинивании золотника селектора. Тем не менее, для предотвращения ситуаций, связанных с возможным забросом топлива в камеру сгорания после отключения электронного регулятора двигателя и при одновременном заклинивании золотника селектора целесообразен и также внедрен в типовую конструкцию САУ-90 систематический функциональный контроль исправности работы селектора при выключении двигателя по окончании полета (Патент RU 2313677, МПК F02C 9/28, опубл. 27.12.2007).

Также следует принять во внимание, что для исключения выхода двигателя на недопустимый режим работы из-за избыточной подачи топлива в камеру сгорания после перехода на резервный канал управления возможно ограничение максимального расхода топлива за счет установки клапана ограничения максимального давления в междроссельной камере резервного канала управления (Патент RU 2 344 305 С1).

Изобретение относится к области авиационного газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в электронных системах автоматического управления с гидромеханическим резервированием. Способ управления газотурбинным двигателем электронно-гидромеханической системой заключается в том, что в электронном регуляторе с помощью датчиков электронного регулятора измеряют положение рычага управления двигателем и параметры газотурбинного двигателя, в зависимости от положения рычага управления двигателем и значения параметров газотурбинного двигателя по законам управления, реализованным в электронном регуляторе, формируют управляющие воздействия электронного регулятора на его исполнительные элементы, в гидромеханическом регуляторе с помощью датчиков гидромеханического регулятора, в зависимости от положения рычага управления двигателем и значения параметров газотурбинного двигателя по законам управления гидромеханического регулятора, формируют управляющие воздействия гидромеханического регулятора на его исполнительные элементы, при исправном состоянии электронного регулятора с помощью селектора блокируют управляющие воздействия гидромеханического регулятора и управление газотурбинным двигателем осуществляют от электронного регулятора через его исполнительные элементы, а при отказе электронного регулятора с помощью селектора блокируют управляющие воздействия электронного регулятора и управление газотурбинным двигателем осуществляют от гидромеханического регулятора, при этом при отказе электронного регулятора его управляющий сигнал на исполнительный элемент по расходу топлива сохраняют на время τ после выдачи управляющего сигнала на селектор, где τ – предельно допустимое значение времени перекладки золотника селектора, определяемое расчетно-экспериментальным путем для каждого типа газотурбинного двигателя и равное 3-7 с. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления газотурбинным двигателем электронно-гидромеханической системой, заключающийся в том, что в электронном регуляторе с помощью датчиков электронного регулятора измеряют положение рычага управления двигателем и параметры газотурбинного двигателя, в зависимости от положения рычага управления двигателем и значения параметров газотурбинного двигателя по законам управления, реализованным в электронном регуляторе, формируют управляющие воздействия электронного регулятора на его исполнительные элементы, в гидромеханическом регуляторе с помощью датчиков гидромеханического регулятора, в зависимости от положения рычага управления двигателем и значения параметров газотурбинного двигателя по законам управления гидромеханического регулятора, формируют управляющие воздействия гидромеханического регулятора на его исполнительные элементы, при исправном состоянии электронного регулятора с помощью селектора блокируют управляющие воздействия гидромеханического регулятора и управление газотурбинным двигателем осуществляют от электронного регулятора через его исполнительные элементы, а при отказе электронного регулятора с помощью селектора блокируют управляющие воздействия электронного регулятора и управление газотурбинным двигателем осуществляют от гидромеханического регулятора, отличающийся тем, что при отказе электронного регулятора его управляющий сигнал на исполнительный элемент по расходу топлива сохраняют на время после выдачи управляющего сигнала на селектор, где – предельно допустимое значение времени перекладки золотника селектора, определяемое расчетно-экспериментальным путем для каждого типа газотурбинного двигателя.

2. Способ управления газотурбинным двигателем электронно-гидромеханической системой по п. 1, отличающийся тем, что в качестве предельно допустимого значения времени перекладки золотника селектора используют численное значение равное 3-7 с.