СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ Российский патент 2024 года по МПК F02C9/28 

Изобретение относится к области управления работой газотурбинных двигателей (ГТД) и может быть использовано при разработке систем автоматического управления ГТД.

Наиболее близкой по технической сущности заявляемому изобретению является система управления ГТД, состоящая из датчиков положения рычага управления двигателем (РУД), температуры воздуха на входе в двигатель, частоты вращения ротора ГТД и блока управления, выход которого является выходом системы, реализующая способ, основанный на измерении положения РУД, частоты вращения ротора ГТД, температуры воздуха на входе в двигатель и регулировании расхода топлива в камеру сгорания (см., например, Черкасов А.Н., Грасько Т.В. Системы управления авиационных силовых установок: Учебное пособие. - Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2018, с. 89).

Недостатком известной системы является низкая эффективность управления, обусловленная зависимостью коэффициента полноты сгорания топлива от влажности воздуха.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности управления ГТД за счет поддержания требуемого значения коэффициента полноты сгорания топлива в зависимости от относительной влажности и температуры воздуха.

Указанный технический результат достигается тем, что в известной системе управления газотурбинным двигателем, состоящей из датчиков положения рычага управления двигателем (РУД), температуры воздуха на входе в двигатель, частоты вращения ротора ГТД и блока управления, выход которого является выходом системы, согласно изобретению, дополнительно введены датчик относительной влажности воздуха, установленный на входе ГТД, датчик индексов эмиссии монооксидов углерода (СО) и углеводородов (СН), установленный на выходе камеры сгорания, последовательно соединенные блок расчета влагосодержания, блок расчета массового содержания сухого воздуха, блок расчета требуемого коэффициента полноты сгорания топлива, схема сравнения, выход которой соединен со входом блока управления, блок расчета действительного значения коэффициента полноты сгорания топлива, выход которого соединен со вторым входом схемы сравнения, при этом выходы датчиков относительной влажности и температуры воздуха соединены с первым и вторым входами блока расчета влагосодержания, выход которого соединен со входом блока расчета массового содержания сухого воздуха, выходы датчиков частоты вращения ротора и положения РУД соединены со вторым и третьим входами блока управления.

Сущность изобретения заключается в том, что дополнительно введены датчик относительной влажности воздуха, установленный на входе ГТД, датчик индексов эмиссии СО и СН, установленный на выходе камеры сгорания, последовательно соединенные блок расчета влагосодержания, блок расчета массового содержания сухого воздуха, блок расчета требуемого коэффициента полноты сгорания топлива, схема сравнения, выход которой соединен со входом блока управления, блок расчета действительного значения коэффициента полноты сгорания топлива, выход которого соединен со вторым входом схемы сравнения, при этом выходы датчиков относительной влажности и температуры воздуха соединены с первым и вторым входами блока расчета влагосодержания, выход которого соединен со входом блока расчета массового содержания сухого воздуха, выходы датчиков частоты вращения ротора и положения РУД соединены со вторым и третьим входами блока управления.

Известно (см., например, Абдельвахид М.Б. Методика оценки влияния климатических условий и эрозионного износа на характеристики ТРДДФ: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.07.05 / Абдельвахид Мохаммед Балла. - М., 2014, с. 27), что влияние влажности на характеристики ГТД проявляется как следствие изменения теплофизических свойств воздуха и продуктов сгорания топлива в нем. Это существенно влияет на эффективность рабочего процесса в камере сгорания, которая определяется коэффициентом полноты сгорания топлива. В свою очередь, действительное значение коэффициента полноты сгорания топлива определяется уровнем содержания СО и СН на выходе камеры сгорания, а требуемое значение - влажностью воздуха на входе в двигатель.

Поэтому, согласно изобретению, измеряют относительную влажность воздуха на входе ГТД, а на выходе камеры сгорания - индексы эмиссии СО и СН. С использованием относительной влажности и температуры воздуха рассчитывают влагосодержание в воздухе, массовое содержание сухого воздуха и далее требуемый коэффициент полноты сгорания. Действительное значение коэффициента полноты сгорания рассчитывают с использованием измеренных значений индексов эмиссии СО и СН. В зависимости от соотношения, требуемого и действительного значений коэффициентов полноты сгорания регулируют расход топлива путем изменения его количества, подаваемого в камеру сгорания.

Этим достигается указанный в изобретении технический результат.

Схема системы приведена на фигуре 1, где обозначено: 1 - датчик относительной влажности воздуха, 2 - блок расчета влагосодержания, 3 - датчик температуры воздуха, 4 - блок расчета массового содержания сухого воздуха, 5 - датчик индексов эмиссии СО и СН на выходе камеры сгорания, 6 - блок расчета требуемого значения коэффициента полноты сгорания топлива, 7 - блок расчета действительного значения коэффициента полноты сгорания топлива, 8 - схема сравнения, 9 - датчик положения РУД, 10 - блок управления, 11 - датчик частоты вращения ротора ГТД.

Назначение блоков, входящих в состав системы ясны из их названия.

Датчики относительной влажности воздуха 1 и температуры воздуха 3 могут быть конструктивно объединены в одном устройстве, предназначенном для непрерывного преобразования относительной влажности и температуры воздуха в цифровой либо аналоговый выходной сигнал напряжения или тока, и могут быть реализованы в виде емкостного, резистивного или психрометрического гигрометра с термопарой (см., например, пн.р: // теплоприбор.рф, дата обращения 15.06.2023 г.).

Датчик индексов эмиссии СО и СН на выходе камеры сгорания 5 может быть реализован, например, в виде газового хроматографа, который измеряет массовую концентрацию углеводородов и монооксидов углерода на выходе из камеры сгорания и по массовому расходу топлива выдает сигнал значения индексов эмиссии СО и СН (см., например, https://chromatec.ru, дата обращения 15.06.2023 г.).

Блоки расчета влагосодержания 2 и расчета массового содержания сухого воздуха 4 могут быть выполнены на программируемых микроконтроллерах (см., например, https://www.angstrem.ru, дата обращения 15.06.2023 г.) со специальным программным обеспечением, разработанным, например, по методике оценки влияния климатических условий и эрозионного износа на характеристики ТРДДФ, изложенной в диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Абдельвахида Мохаммеда Балла (см. https://mai.ru/events/defence, дата обращения 15.06.2023 г.).

Блок расчета требуемого значения коэффициента полноты сгорания топлива 6 может быть реализован в виде вычислителя на базе микроконтроллера (см., например, Бродин В.Б., Калинин А.В. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики. М.: ЭКОМ, 2002, с. 135) со специальным программным обеспечением, разработанным, например, по методике (см. Резник В.Е., Данильченко В.П., Болотин Н.Б. и др. Проектный расчет камеры сгорания авиационного ГТД: Учебное пособие. - Куйбышев: КуАИ, 1982, с. 37).

Блок расчета действительного значения коэффициента полноты сгорания топлива 7 выполнен на программируемых микроконтроллерах (см., например, https://www.angstrem.ru, дата обращения 15.06.2023 г.) со специальным программным обеспечением, разработанным, например, по методике (см. Григорьев А.В., Митрофанов В.А., Рудаков О.А., Саливон Н.Д. Теория камеры сгорания / под ред. О.А. Рудакова - СПб.: Наука, 2010, с. 135).

Схема сравнения 8 может быть выполнена в виде компаратора (см., например, Антипенский Р.В., Змий Б.В., Клочков Г.Л. Электроника и схемотехника. Воронеж: ВАИУ, 2009, с. 289).

Система работает аналогично прототипу с некоторыми отличиями. Отличия заключаются в том, что по данным датчиков относительной влажности воздуха 1 и температуры воздуха 3 в блоке расчета влагосодержания 2 и далее в блоке расчета массового содержания сухого воздуха 4 рассчитывают соответствующие величины, а в блоке расчета требуемого значения коэффициента полноты сгорания топлива 6 - требуемый коэффициент полноты сгорания топлива.

По данным датчика индексов эмиссии СО и СН на выходе камеры сгорания 5 рассчитывают действительное значение коэффициента полноты сгорания топлива. В схеме сравнения 8 сравнивают требуемое и действительное значения коэффициента полноты сгорания топлива, по результатам которого блок управления 10 регулирует расход топлива в камере сгорания.

Изобретение относится к области управления работой газотурбинных двигателей (ГТД) и может быть использовано при разработке систем автоматического управления ГТД. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности управления ГТД за счет поддержания требуемого значения коэффициента полноты сгорания топлива в зависимости от относительной влажности и температуры воздуха. Система управления ГТД от известных отличается тем, что дополнительно введены датчик относительной влажности воздуха, установленный на входе ГТД, датчик индексов эмиссии монооксидов углерода и углеводородов, установленный на выходе камеры сгорания, последовательно соединенные блок расчета влагосодержания, блок расчета массового содержания сухого воздуха, блок расчета требуемого коэффициента полноты сгорания топлива, схема сравнения, выход которой соединен со входом блока управления, блок расчета действительного значения коэффициента полноты сгорания топлива, выход которого соединен со вторым входом схемы сравнения, при этом выходы датчиков относительной влажности и температуры воздуха соединены с первым и вторым входами блока расчета влагосодержания, выход которого соединен со входом блока расчета массового содержания сухого воздуха, выходы датчиков частоты вращения ротора и положения РУД соединены со вторым и третьим входами блока управления. 1 ил.

Система управления газотурбинным двигателем, состоящая из датчиков положения рычага управления двигателем, температуры воздуха на входе в двигатель, частоты вращения ротора ГТД и блока управления, выход которого является выходом системы, отличающаяся тем, что дополнительно введены датчик относительной влажности воздуха, установленный на входе ГТД, датчик индексов эмиссии монооксида углерода и углеводородов, установленный на выходе камеры сгорания, последовательно соединенные блок расчета влагосодержания, блок расчета массового содержания сухого воздуха, блок расчета требуемого коэффициента полноты сгорания топлива, схема сравнения, выход которой соединен со входом блока управления, блок расчета действительного значения коэффициента полноты сгорания топлива, выход которого соединен со вторым входом схемы сравнения, при этом выходы датчиков относительной влажности и температуры воздуха соединены с первым и вторым входами блока расчета влагосодержания, выход которого соединен со входом блока расчета массового содержания сухого воздуха, выходы датчиков частоты вращения ротора и положения РУД соединены со вторым и третьим входами блока управления.