СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ОТ ПОМПАЖА КОМПРЕССОРА Российский патент 2023 года по МПК F04D27/02 

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в системах автоматического управления (САУ) газотурбинных двигателей для различных типов летательных аппаратов. Изобретение также может быть применено в САУ газотурбинных установок для электростанций, нагнетателей магистральных газопроводов, силовых газотурбинных установок морских и речных судов и т.д.

Известны способы защиты компрессора газотурбинного двигателя (ГТД) от помпажа, в которых контролируемыми параметрами могут служить следующие: давление воздуха за компрессором Рк*, температура газов Тг, частоты вращения роторов высокого n_вд и низкого давлений n_вд, а также другие внутридвигательные параметры и их многопараметрические комплексы (Патент RU 2472974, МПК F04D 27/02, опубл. 20.01.2013, Патент RU 2382909 МПК F04D 27/02, опубл. 27.02.2010, Патент RU 2387882, МПК F04D 27/02, опубл. 27.04.2010, Патент RU 2351807, МПК F04D 27/02, опубл. 10.04.2009, Патент RU 2527850, МПК F04D 27/02, опубл. 10.09.2014, Патент RU 2374143, МПК B64D 31/00, опубл. 27.11.2009, Патент RU 2187711, МПК G01M 15/00, опубл. 20.08.2002, Патент US №5379583, F02C 9/20, опубл. 10.01.1995).

В известных способах защиты ГТД от помпажа используется принцип измерения контролируемых параметров и/или их производных, последующего сравнения их фактических или относительных величин с соответствующими величинами предельно допустимых (пороговых) значений. При превышении фактическими или относительными величинами соответствующих допустимых значений формируется сигнал критической ситуации, свидетельствующий о потере газодинамической устойчивости потока - сигнал «Помпаж». При наличии сигнала «Помпаж» в автоматическом режиме выполняется кратковременное прекращение или уменьшение подачи топлива Gт в камеру сгорания ГТД, а также открытие клапанов перепуска воздуха КПВ из компрессора, что, как правило, позволяет надежно восстановить газодинамическую устойчивость двигателя. После устранения неустойчивого режима сигнал «Помпаж» снимается (не формируется), далее возобновляют подачу топлива в камере сгорания и закрывают клапаны перепуска воздуха, что обеспечивает восстановление тяги двигателя до величины, предшествовавшей моменту помпажа.

Основным недостатком известных аналогов является их низкая эффективность из-за недостаточного быстродействия и/или возможные ложные срабатывания из-за некорректной работы алгоритмов идентификации помпажа.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ управления газотурбинным двигателем (Патент RU 2468257, МПК F04D 27/02, опубл. 27.11.2012), который предусматривает измерение давления воздуха за компрессором Рк*, определение (вычисление) относительного изменения давления воздуха за компрессором ΔРк/Рк*, определение (вычисление) относительной скорости изменения давления воздуха за компрессором ΔРк/ (Рк*⋅Δτ), сравнение относительного изменения давления воздуха за компрессором ΔРк/Рк* с первой наперед заданной величиной А, сравнение относительной скорости изменения давления воздуха за компрессором ΔРк/ (Рк*⋅Δτ) со второй наперед заданной величиной В, формирование сигнала «Помпаж» при одновременном превышении ΔРк/Рк* величины А и превышении ΔРк/ (Рк*Δτ) величины В, в случае формирования сигнала «Помпаж» выполняют прекращение подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя на наперед заданное время τ₁, открытие клапанов перепуска воздуха КПВ из компрессора и включение агрегата зажигания на наперед заданное время; если после этого относительное изменения давления воздуха за компрессором ΔРк/Рк* стало меньше величины А, а относительная скорость ΔРк/ (Рк*⋅Δτ) - меньше величины В, снимают сигнал «Помпаж», возобновляют подачу топлива в камеру сгорания и далее осуществляют управление газотурбинным двигателем в соответствии со штатными программами управления, при этом программу ограничения расхода топлива Gт в камере сгорания занижают на наперед заданную величину С на наперед заданное время τ₂.

Из описания прототипа применительно к авиационному газотурбинному двигателю тягой 14 тонн следует, что численные значения ряда параметров составляют величины τ₁=0,3 с, τ₂=4 с, С=10%.

Недостатками прототипа является:

1. Низкая эффективность алгоритма устранения помпажа, приводящая к риску увеличения продолжительности помпажа. Данный недостаток обусловлен тем, что управление положением входного направляющего аппарата (ВНА) компрессора ГТД осуществляют в зависимости от приведенной частоты вращения ротора высокого давления, что при имеющейся инерционности ротора и без какого-либо упреждающего воздействия по механизации компрессора может увеличить время нахождения компрессора в помпаже.

2. Низкая эффективность алгоритма восстановления тяги, приводящая в ряде случаев к повторному помпажу при возможных отклонениях в работе ГТД.

3. Инженерные испытания авиационного газотурбинного двигателя тягой 14 тонн позволили достоверно установить, что занижения программы ограничения расхода топлива Gt в камеру сгорания тягой 14 тонн на наперед заданную величину С=10% недостаточно, т.к. при восстановлении режима возможны повышенные избытки расхода топлива в камере сгорания ГТД, что также может вызвать повторный помпаж.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения, и невозможно обеспечить при использовании прототипа, является низкая оперативность устранения помпажа и высокие риски повторных помпажей.

Техническим результатом изобретения является оперативное восстановление запасов газодинамической устойчивости компрессора ГТД и надежное восстановление режима двигателя после кратковременного прекращения подачи топлива в камеру сгорания ГТД, когда занижения программы ограничения расхода топлива Gt в камеру сгорания на наперед заданную величину (10%) может оказаться неоптимальным для беспомпажного восстановления работы двигателя.

Технический результат достигается тем, что в способе защиты газотурбинного двигателя от помпажа компрессора, который предусматривает измерение давления воздуха за компрессором Рк*, определение (вычисление) относительного изменения давления воздуха за компрессором ΔРк/Рк*, определение (вычисление) относительной скорости изменения давления воздуха за компрессором ΔРк/ (Рк*⋅Δτ), сравнение относительного изменения давления воздуха за компрессором ΔРк/Рк* с первой наперед заданной величиной А, сравнение относительной скорости изменения давления воздуха за компрессором ΔРк/ (Рк*⋅Δτ) со второй наперед заданной величиной В, формирование сигнала «Помпаж» при одновременном превышении ΔРк/Рк* величины А и превышении ΔРк/ (Рк*⋅Δτ) величины В, в случае формировании сигнала «Помпаж» выполняют прекращение подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя на наперед заданное время τ₁, открытие клапанов перепуска воздуха из компрессора, включение агрегата зажигания на наперед заданное время; если после этого относительное изменение давления воздуха за компрессором ΔРк/Рк* стало меньше величины А, а относительная скорость ΔРк/ (Рк*⋅Δτ) - меньше величины В, снимают сигнал «Помпаж», возобновляют подачу топлива в камеру сгорания и далее осуществляют управление газотурбинным двигателем в соответствии со штатными программами управления, при этом программу ограничения расхода топлива Gт в камере сгорания занижают на наперед заданную величину С на наперед заданное время τ₂, дополнительно на время прекращения подачи топлива в камеру сгорания осуществляют смещение положения входного направляющего аппарата компрессора в сторону прикрытия на наперед заданную величину D, а при восстановлении режима работы газотурбинного двигателя закрытие клапанов перепуска воздуха осуществляют по скорректированной (повышенной) приведенной частоте вращения n_ВДпр на величину ΔЕ относительно настройки штатной программы управления клапанами перепуска воздуха.

Кроме того, согласно изобретению, в качестве значения величины D используют численное значение равное 5 угловых градусов, что соответствует 1/10 от величины диапазона изменения положения ВНА компрессора по всем режимам работы ГТД.

Кроме того, согласно изобретению, в качестве значения величины АЕ используют численное значение равное 500…1000 об/мин.

Кроме того, согласно изобретению, прекращение подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя осуществляют на наперед заданное время τ₁=0,2 с.

Кроме того, согласно изобретению, занижение программы ограничения Gт/Pk*=f(n_ВДпр) осуществляют на наперед заданную величину С=20%.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующая заявляемый способ. Устройство содержит последовательно соединенные блок 1 датчиков параметров ГТД, электронный регулятор 2, дозатор топлива 3 с клапаном останова 3.1, командный агрегат 4 для управления клапанами перепуска воздуха КПВ, газотурбинный двигатель 5.

Блок 1 датчиков представляет собой совокупность датчиков и сигнализаторов, которые обеспечивают измерение параметров рабочего процесса ГТД 5 (частоты вращения роторов низкого n_нд и высокого n_вд давлений, давления воздуха за компрессором Рк*, температуры газов за турбиной Тг и др.), измерение положения рычага управления двигателем L_руд, а также параметров условий полета (температура и давление воздуха на входе в ГТД Твх*, Рвх*), измерение управляющих воздействий (расход топлива Gт в камере сгорания, положение ВНА - L_вна), положение иных элементов ГТД 5 и самолета.

Электронный регулятор 2 ГТД 5 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 5.

В электронном регуляторе 2 сигнал «Помпаж» формируется при одновременном наличии следующих условий:

1) относительном падении давления воздуха за компрессором на величину, большую ),

где - размах пульсационной составляющей давления воздуха;

- максимальное давление за каждый цикл колебания.

2) относительной скорости изменения давления

где Δτ - цикл расчета.

Данный метод определения помпажа известен и не является предметом изобретения.

Электронный регулятор 2 двигателя является основным устройством цифровой системы управления ГТД 5 типа FADEC (Full Authority Digital Engine Control).

Дозатор 3 топлива представляет собой отдельный агрегат, который обеспечивает регулирование топливоподачей в камере сгорания ГТД 5, а также управление положением входного направляющего аппарата (ВНА) компрессора по заданным командам из электронного регулятора 2.

Обычно в статике и в динамике электронный регулятор 2, подавая электрическую команду в дозатор 3, обеспечивает перемещение дозирующего элемента дозатора 3 до тех пор, пока фактическое значение расхода топлива Gт, определяемое электронным регулятором 2, не сравняется с расчетным, которое необходимо в данный момент для поддержания требуемого уровня тяги ГТД 5.

Клапан 3.1 останова представляет собой типовой отсечной электромагнитный клапан, перекрывающий магистраль подачи топлива Gt в камеру сгорания ГТД 5 по сигналу «Помпаж» из электронного регулятора 2.

Кроме того, дозатор топлива обеспечивает управление положением гидроцилиндров (не показаны) ВНА компрессора ГТД 5. Программа управления ВНА аналоговая, в зависимости от приведенной частоты вращения ротора высокого давления n_ВДпр, определяемая как Твх^* - температура воздуха на входе в ГТД, n_ВД - частота вращения ротора высокого давления.

Специалистам в области двигателестроения ясно, что приведение частоты вращения п_вд может осуществляться как к температуре воздуха на входе в двигатель, так и к температуре воздуха на входе в компрессор; это не является предметом изобретения.

Командный агрегат 4 предназначен для управления клапанами перепуска воздуха по командам из электронного регулятора 2.

Клапана перепуска воздуха (КПВ) являются стандартными элементами механизации компрессора и предназначены для расширения диапазона устойчивой работы компрессора путем выпуска в наружный контур ГТД 5 или в атмосферу в случае одноконтурного ГТД части воздуха из промежуточных ступеней компрессора. Клапан перепуска воздуха имеет типовую конструкцию, как правило, на двигателе несколько клапанов перепуска КПВ (не показаны). Управление клапанами КПВ автоматическое, по релейной программе в зависимости от приведенной частоты вращения ротора n_ВДпр и по управляющей команде из электронного регулятора 2.

В общем случае конструкция блоков 3 и 4 может быть самой разнообразной, например, эти блоки могут быть объединены в единый конструктивный модуль, или наоборот, еще более дифференцированы (распределены) по выполняемым функциям и способам обработки входных сигналов, гидро- и аэродинамических воздействий.

ГТД 5 - любой известный тип газотурбинного двигателя или установки.

Устройство работает следующим образом: электронный регулятор 2 двигателя по сигналам датчиков из блока 1 по заданным программам управления формирует управляющее воздействие в дозатор топлива 3, который осуществляет требуемое изменение расхода топлива в камере сгорания ГТД 5. При штатной работе ГТД 5 клапан останова 3.1 выключен. В зависимости от приведенной частоты вращения ротора высокого давления п_Вд_пр клапаны перепуска воздуха находятся в закрытом или открытом положении. Обычно в полете клапаны перепуска воздуха в компрессоре закрыты; при рулежке самолета по взлетно-посадочной полосе и работе двигателей на малом газе клапаны перепуска открыты. При динамичных перемещениях рычага управления двигателем происходит дозирование топлива в камеру сгорания для поддержания заданного уровня тяги ГТД 5.

При возникновении помпажа и на основе данных параметра Рк* из блока 1 в электронном регуляторе 2 формируется сигнал «Помпаж» по которому из электронного регулятора 2 выдается команда на включение клапана останова 3.1 и подача топлива в ГТД 5 прекращается, происходит снижение режима работы ГТД 5. Одновременно с включением клапана останова 3.1 открывают клапаны перепуска воздуха в компрессоре и, согласно изобретению, осуществляют смещение положения ВНА компрессора в сторону прикрытия на наперед заданную величину D на время τ₁ относительно положения, которое ВНА занимает в зависимости от приведенной частоты вращения ротора высокого давления n_ВДпр при штатной работе ГТД.

После устранения помпажа и выключении клапана останова 3.1 топливо начинает поступать в камеру сгорания; стандартной технологией здесь является включение агрегатов зажигания топлива для исключения погасания камеры сгорания на наперед заданное время, которое определяется для каждого типа двигателя, обычно это 10…30 с. Дозирование топлива в камере сгорания при восстановлении режима ГТД 5 осуществляется по штатным программам управления, например, в темпе приемистости по закону где - первая производная по времени параметра n_вд. Данный закон регулирования позволяет учитывать все факторы, влияющие на избыток мощности турбины, в т.ч. степень прогретости двигателя и разброс эксплуатационных условий, особенности технического состояния двигателя. Однако, в процессе восстановления режима из-за повышенной погрешности регулирования и/или существенного различия между оптимальными и заданными настройками в системе управления ГТД возможны чрезмерные избытки расхода топлива Gт. Но эти избытки, как правило, надежно устраняются правильно подобранной величиной занижения С программы ограничения расхода топлива Gт в камере сгорания ГТД 5. В качестве программы ограничения расхода топлива Gт может быть использована, например, зависимость Gт/Pк*=f(n_ВДпр), где n_ВДпр - приведенная частота вращения ротора высокого давления. Вышеуказанный закон управления Gт/Pк*=f(n_ВДпр) позволяет обеспечить необходимый коэффициент избытка воздуха в камере сгорания и учитывать границу устойчивой работы компрессора. Величина τ₂ выбрана равной 4 с (аналогично прототипа).

Как отмечалось выше, закрытие клапанов КПВ при штатной работе ГТД осуществляют при достижении заданных значений n_ВДпр. Однако, согласно настоящего изобретения, при восстановлении режима после помпажа закрытие клапанов перепуска воздуха осуществляют выше по приведенной частоте вращения n_ВДпр на величину ΔЕ относительно настройки при штатной работе программы управления клапанами перепуска воздуха. Такой подход позволяет надежно обеспечить восстановление исходного режима без повторных помпажей.

Таким образом, с оптимальным быстродействием осуществляется оперативное устранение помпажа и плавное, без чрезмерных забросов топлива надежное восстановление тяги газотурбинного двигателя после срабатывания защиты от помпажа компрессора.

Предложенный способ защиты двигателя от помпажа компрессора был проверен в составе авиационного газотурбинного двигателя тягой 14 тонн разработки АО «ОДК-Авиадвигатель», РФ.

Авиационный газотурбинный двигатель тягой 14 тонн - головной двигатель семейства перспективных турбореактивных двигателей пятого поколения, предназначенных для ближне-, среднемагистральных самолетов и промышленных газотурбинных установок. Унифицированный газогенератор которого состоит из девяти ступеней компрессора и двух ступеней турбины. В компрессоре предусмотрено аналоговое регулирование ВНА типа L_внa=f(n_ВДпр); диапазон регулирования ВНА составляет величину Δ ≈ 50 угловых градуса. Кроме того, предусмотрен перепуск воздуха из двух ступеней компрессора с помощью клапанов КПВ1 и КПВ2 также в зависимости от n_ВДпр.

Система управления САУ-14 является двухканальной, с полной ответственностью типа FADEC. Управление КПВ1 и КПВ2 компрессора производится командным агрегатом, который преобразует электрические управляющие команды из электронного регулятора в пневматические команды на перекладку пневмоцилиндров КПВ.

Результаты испытаний турбореактивного двигателя полностью подтвердили эффективность технических решений согласно настоящего изобретения. При испытаниях были установлены следующие оптимальные численные значения величин, используемых в изобретении (для данного типа двигателя). Величина С=20%. Величина D=5 угловых градусов, что составляет примерно 1/10 от величины диапазона изменения положения входного направляющего аппарат компрессора по всем режимам работы ГТД. Величина ΔЕ=500…1000 об/мин (для первой группы КПВ1 - 500 об/мин, для второй группы КПВ2 - 1000 об/мин).

В ходе испытаний выявлен положительный эффект от уменьшения времени отсечки топлива в камере сгорания ГТД по сигналу «Помпаж» с 0,3 с до 0, 2 с; в частности, уменьшения времени отсечки позволило уменьшить время восстановления тяги ГТД после устранения помпажа компрессора.

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в системах автоматического управления (САУ) газотурбинных двигателей для различных типов летательных аппаратов. Изобретение также может быть применено в САУ газотурбинных установок для электростанций, нагнетателей магистральных газопроводов, силовых газотурбинных установок морских и речных судов и т.д. Закрытие клапанов КПВ при штатной работе ГТД осуществляют при достижении заданных значений n_ВДпр, однако, согласно настоящему изобретению, при восстановлении режима после помпажа закрытие клапанов перепуска воздуха осуществляют выше по приведенной частоте вращения n_ВДпр на величину ΔЕ относительно настройки при штатной работе программы управления клапанами перепуска воздуха. Такой подход позволяет надежно обеспечить восстановление исходного режима без повторных помпажей. Технический результат изобретения заключается в оперативном восстановлении запасов газодинамической устойчивости компрессора ГТД и надежном восстановлении режима двигателя после кратковременного прекращения подачи топлива в камеру сгорания ГТД, когда занижение программы ограничения расхода топлива Gт в камеру сгорания на наперед заданную величину (10%) может оказаться неоптимальным для беспомпажного восстановления работы двигателя. Таким образом, с оптимальным быстродействием осуществляется оперативное устранение помпажа и плавное, без чрезмерных забросов топлива, надежное восстановление тяги газотурбинного двигателя после срабатывания защиты от помпажа компрессора. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ защиты газотурбинного двигателя от помпажа компрессора, который предусматривает измерение давления воздуха за компрессором Рк*, определение относительного изменения давления воздуха за компрессором ΔРк/Рк*, определение относительной скорости изменения давления воздуха за компрессором ΔРк/(Рк*⋅Δτ), сравнение относительного изменения давления воздуха за компрессором ΔРк/Рк* с первой наперед заданной величиной А, сравнение относительной скорости изменения давления воздуха за компрессором ΔРк/(Рк*⋅Δτ) со второй наперед заданной величиной В, формирование сигнала «Помпаж» при одновременном превышении ΔРк/Рк* величины А и превышении ΔРк/(Рк*⋅Δτ) величины В, в случае формирования сигнала «Помпаж» выполняют прекращение подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя на наперед заданное время τ₁, открытие клапанов перепуска воздуха из компрессора, включение агрегата зажигания на наперед заданное время; если после этого относительное изменение давления воздуха за компрессором ΔРк/Рк* стало меньше величины А, а относительная скорость ΔРк/(Рк*⋅Δτ) - меньше величины В, снимают сигнал «Помпаж», возобновляют подачу топлива в камеру сгорания и далее осуществляют управление газотурбинным двигателем в соответствии со штатными программами управления, при этом программу ограничения расхода топлива Gт в камере сгорания занижают на наперед заданную величину С на наперед заданное время τ₂, отличающийся тем, что дополнительно на время прекращения подачи топлива в камеру сгорания осуществляют смещение положения входного направляющего аппарата компрессора в сторону прикрытия на наперед заданную величину D, а при восстановлении режима работы газотурбинного двигателя закрытие клапанов перепуска воздуха осуществляют по скорректированной приведенной частоте вращения n_ВДпр на величину ΔЕ относительно настройки штатной программы управления клапанами перепуска воздуха.

2. Способ защиты газотурбинного двигателя от помпажа компрессора по п. 1, отличающийся тем, что в качестве значения величины D используют численное значение равное 5 угловым градусам, что соответствует 1/10 от величины диапазона изменения положения входного направляющего аппарата компрессора по всем режимам работы ГТД.

3. Способ защиты газотурбинного двигателя от помпажа компрессора по п. 1, отличающийся тем, что в качестве значения величины ΔЕ используют численное значение равное 500…1000 об/мин.

4. Способ защиты газотурбинного двигателя от помпажа компрессора по п. 1, отличающийся тем, что прекращение подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя осуществляют на наперед заданное время τ₁=0,2 с.

5. Способ защиты газотурбинного двигателя от помпажа компрессора по п. 1, отличающийся тем, что занижение программы ограничения Gт/Pк*=f(n_ВДпр) осуществляют на наперед заданную величину С=20%.