СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Советский патент 1994 года по МПК F02C9/00 

Изобретение относится к автоматическому регулированию газотурбинных двигателей (ГТД), преимущественно к автоматическому регулированию подъемно-маршевых двигателей для самолетов вертикального взлета с поворотными направляющими и спрямляющими лопатками компрессора (НА) с отбором воздуха от компрессора для нужд самолета, в частности к устройствам, обеспечивающим в течение заданного промежутка времени повышение тяги двигателями или запасов газодинамической устойчивости комрессора.

Известные системы регулирования ГТД обеспечивают повышение тяги или запасов газодинамической устойчивости компрессора, но не требуют установки дополнительных устройств, например введение разгрузочных клапанов компрессора, сливных клапанов в системе топливопитания и т. п. , что нежелательно из-за снижения надежности и увеличения веса.

Из известных систем автоматического регулирования ГТД наиболее близкой по своей технической сущности является система регулирования, предназначенная для двигателя с поворотными направляющими и спрямляющими лопатками компрессора и отбором воздуха от компрессора для нужд самолета вертикального взлета и посадки и обеспечивающая повышение тяги с одновременным сохранением необходимого уровня запаса газодинамической устойчивости компрессора для двух основных максимальных режимов за счет наличия индивидуальных программ регулирования поворотными лопатками.

Однако, в известной системе не в полной мере используются ее возможности. Особенно это относится к системам регулирования для подъемно-маршевых двигателей, устанавливаемых на самолетах вертикального взлета и посадки, где реализуются режимы, на которых не только возникает необходимость на какое-то время существенно повысить тягу, но и запасы устойчивой работы. Например, на посадочных режимах с отбором воздуха на струйные рули при висении самолета на небольшой высоте от поверхности взлетно-посадочной полосы (ВПП), когда максимальная тяга не требуется, а крайне необходимы высокие запасы газодинамической устойчивости компрессора, так как отраженные от ВПП выхлопные газы, попадая на вход, создают экстремальные условия по уровню неравномерности температур и пульсаций воздуха на входе. В этом случае целесообразнее работать с углами установки поворотных лопаток направляющего и спрямляющих аппаратов компрессора α _НА, соответствующими углам поворота лопаток по программе, реализуемой на режимах без отбора воздуха от компрессора. В то же время, при необходимости кратковременного повышения тяги с сохранением достаточного уровня запасов устойчивой работы на режимах без отбора воздуха от компрессора целесообразнее работать с углами постановки поворотных лопаток, соответствующими углам поворота по программе, реализуемой на режимах без отбора воздуха.

Цель изобретения - расширение диапазона регулирования путем обеспечения работы на режимах без отбора и с отбором воздуха от компрессора за счет использования разных программ поворота лопаток направляющего и спрямляющих аппаратов компрессора ( α _НА = f(n_KBD/ ) при работе на режимах без отбора и с отбором воздуха от компрессора для нужд самолета вертикального или укороченного взлета и посадки путем перехода с одной программы регулирования на другую по команде оператора.

Сущность изобретения заключается в том, что система автоматического регулирования ГТД содержит последовательно подключенные исполнительный механизм, регулятор поворота лопаток и логический элемент ИЛИ, два входа которого связаны с параллельно установленными программными задающими устройствами, причем один вход элемента ИЛИ связан непосредственно, второй через логический элемент И, который вторым своим входом подключен к датчику положения кранов отбора воздуха от компрессора, каждое программное задающее устройство параллельно подсоединено к датчикам частоты вращения ротора, температуры воздуха на входе и поворота лопаток направляющего аппарата компрессора, а также соединенные между собой селектор и задатчики режимов, причем выходы селектора параллельно подключены к логическому элементу ИЛИ и к линии связи датчика положения кранов отбора воздуха от компрессора с логическим элементом И.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства; на фиг. 2 приведена зависимость степени повышения давления π_к^* от расхода воздуха G_к через компрессор двигателя для одного и того же значения частоты вращения компрессора высокого давления n_KBD при разном значении угла поворота лопаток направляющего и спрямляющего аппарата α _Н.A и рабочие линии без отбора и с отбором воздуха от компрессора для нужд самолета.

Система содержит подъемно-маршевый газотурбинный двигатель 1 с коллектором 2 отбора воздуха на стабилизацию и управление самолета из средней части компрессора 3 высокого давления (КВД) с поворотными лопатками 4 направляющего и спрямляющих аппаратов, вентилятором 5, поворотным реактивным соплом 6, механизмом 7 поворота лопаток компрессора.

На двигателе расположены датчики 8-10 температуры воздуха на входе в вентилятор Т₀₁, частоты вращения ротора КВД n_KBD, угла поворота лопаток КВД соответственно.

На схеме изображены также трубопроводы 11 подвода воздуха на стабилизацию и управление самолетом с краном 12 (один или несколько) и датчиком 13 положения крана отбора воздуха от компрессора. Логическая схема включает в себя программные задающие устройства 14 и 15 поворота лопаток компрессора для режимов без отбора и с отбором воздуха с блоками 16 и 17 проведенной частоты вращения и сравнивающими устройствами 18 и 19 соответственно для каждого режима, а также регулятор 20 с исполнительным механизмом 21 поворота лопаток компрессора и логические элементы 22 и 23, работающие по логическим схемам ИЛИ и И соответственно. Дополнительно по схеме показаны блок селектора 24 режимов и задатчики 25 и 26 режимов.

На представленном графике изображена зависимость степени повышения давления от расхода воздуха через компрессор с рабочими линиями 27 и 28 для режимов без отбора и с отбором воздуха от компрессора и напорными ветвями 29 и 30 с углом установки поворотных лопаток направляющего аппарата 0^о и +5^о соответственно (поворот лопаток направляющего и спрямляющих аппаратов в сторону вращения ротора компрессора принято считать отрицательным, а в противоположном направлении - положительным).

Устройство работает следующим образом.

Сигналы от датчиков 8 и 9, пропорциональные температуре Т₀₁воздуха на входе в вентилятор 5 и частоты вращения компрессора высокого давления n_KBD поступает в блоки 16 и 17 приведенной частоты вращения. В блоках 16 и 17 по поступившим сигналам формируется сигнал приведенной частоты вращения КВД, по которому определяется потребный угол поворота лопаток компрессора α _НА для режимов без отбора и с отбором воздуха соответственно. Сигнал, пропорциональный потребному углу поворота лопаток для данного значения приведенной частоты вращения, из блоков 16 и 17 поступает на вход сравнивающих устройств 18 и 19 соответственно. Одновременно через другой вход в сравнивающие устройства 18 и 19 поступают сигналы от датчика 10, пропорциональные фактическому значению угла поворота лопаток КВД в данный момент времени. Сравнивающие устройства 18 и 19 сравнивают сигналы, пропорциональные фактическому и потребному значениям угла поворота лопаток для данного значения частоты, и при несоответствии фактического положения угла поворота лопаток компрессора заданному значению формируют на своих выходах сигналы для устранения этого несоответствия. Сигналы от программного задающего устройства 14, обеспечивающие поддержание регулирования поворотных лопаток компрессора по зависимостях α _НА = f(n_КВД/) для режимов без отбора воздуха при наличии рассогласования между заданным и действительным значениями углов положения поворотных лопаток, поступают через логический элемент ИЛИ 22 на вход регулятор 20, который формирует сигналы в исполнительный механизм 21, связанный с механизмом 7 поворота, для устранения этого рассогласования. При устранении рассогласования программное задающее устройство 14 прекращает формирование сигналов и поворотные лопатки направляющего и спрямляющих аппаратов компрессора занимают положение, соответствующее зависимости α _НА = f(n_КВД/) для данного момента времени.

Одновременно с формированием и выдачей сигналов из программного задающего устройства 14 аналогично формирует и выдает сигналы программное задающее устройство 15, обеспечивающее поддержание и регулирование поворотных лопаток компрессора по зависимости α _НА= f(n_КВД/)для режимов с отбором воздуха от компрессора. Сигналы из программного задающего устройства 15 поступают на вход элемента 23, работающего по логической схеме И, который формирует сигналы, на вход логического элемента ИЛИ 22 в том случае, если через второй вход к нему поступают сигналы от датчика 13, пропорциональные положению крана 12 отбора воздуха от компрессора при полном или частичном его открытии.

При поступлении сигналов от программного задающего устройства 15 и датчика 13 элемент 23 формирует сигналы на вход логического элемента ИЛИ 22. При поступлении сигналов от элемента 23 элемент 22 не пропускает сигналы от программного задающего устройства 14 и на своем выходе формирует сигналы от устройства 15, которые поступают на вход регулятора 20, далее к исполнительному механизму 21 и механизму 7 поворота лопаток направляющего и спрямляющих аппаратов компрессора для обеспечения программы регулирования α _НА = f(n_КВД/) с отбором воздуха до тех пор, пока не будет полностью закрыт кран 12.

При прекращении поступления сигналов от датчика 13 элемент 23 прекращает формирование сигналов на своем выходе и элемент 22 автоматически соединяет программное задающее устройство 14 с регулятором 20 для реализации закона регулирования без отбора воздуха от компрессора.

Перевод двигателя на режим с повышенным запасом газодинамической устойчивости компрессора или тяги осуществляется следующим образом.

При работе на режимах с отбором воздуха от компрессора на стабилизацию или управление самолетом, например на режимах посадки при висении самолета на небольшой высоте, задатчиком 25 подается сигнал в селектор 24. Получив сигнал от задатчика 25, селектор 24 на своем выходе формирует сигнал на вход логического элемента 22. При поступлении сигнала из селектора 24 логический элемент 22 блокирует сигнал от элемента 23 и автоматически соединяет регулятор 20 с программным задающим устройством 14, т. е. переводит программу поворота лопаток направляющего и спрямляющих аппаратов компрессора по закону регулирования без отбора воздуха, хотя на самом деле отбор воздуха от компрессора осуществляется.

При снятии сигнала от задатчика 25 селектор 24 прекращает выдачу сигнала и логический элемент 22 переходит на работу автоматического режима. Если необходимо кратковременно повысить тягу на режимах без отбора воздуха от компрессора на стабилизацию и управление самолетом, задатчиком 26 формируют сигнал на вход селектора 24, который через другой выход имитирует на вход логического элемента 23 сигнал от датчика 13, пропорциональный положению крана 12 отбора воздуха от компрессора при помощи или частичном его открытии (ложный сигнал на открытие кранов отбора).

Элемент 23, получив сигнал от селектора 24, подключает через элемент 22 регулятор 20 и исполнительный механизм 21 на реализацию программы поворота лопаток направляющего и спрямляющего аппаратов по закону с отбором воздуха от компрессора несмотря на то, что на самом деле отбор воздуха в данный момент не производится и двигатель работает на маршевых режимах. При стянии сигнала задатчиком 26 селектор 24 перестает формировать сигналы на вход элемента 23 и вся система регулирования переходит на работу автоматического режима.

При одном и том же значении частоты вращения ротора двигатель имеет различные параметры, так как их значение обусловлено отсутствием или наличием отбора сжатого воздуха от компрессора и установкой поворотных лопаток компрессора на углы, соответствующие каждому режиму.

Из приведенного графика на фиг. 2 следует, что при одной и той же частоте вращения, но разных углах установки поворотных лопаток компрессора, например 0^о и +5^о соответствующих режимам без отбора (маршевой) и с отбором (взлетный и посадочные) воздуха, двигатель имеет две рабочие линии 27 и 28 и соответственно две рабочие линии А и Б на напорных ветвях 29 и 30.

При работе двигателя в точках А и Б обеспечиваются оптимальные параметры на режимах без отбора и с отбором воздуха от компрессора. Для увеличения запасов газодинамической устойчивости компрессора на режимах с отбором воздуха, что особенно важно при висении самолета на небольшой высоте от поверхности ВПП, когда максимальная тяга не требуется, а отраженые от поверхности ВПП выхлопные газы, попадая на вход, создают экстремальные условия по уровню неравномерности температур и пульсаций воздуха, при формировании сигнала от задатчика 25 в селектор 24 и блокировании селектором 24 сигнала от элемента 23 элемент 22 автоматически подключает программное задающее устройство 14 и регулятор 20 подает команду исполнительному механизму 21, который обеспечивает поворот лопаток в сторону вращения ротора, а следовательно, и смещение рабочей точки Б в точку Г, т. е. в точку с меньшим значением степени повышения давления, но с большим значением запаса устойчивой работы.

При снятии сигнала от задатчика 25 и селектора 24 элемент 22 автоматически переводит работу двигателя в исходное положение. Для кратковременного увеличения тяги на режимах без отбора воздуха от компрессора, при формировании сигнала от задатчика 26 в селектор 24 и имитации селектором 24 на вход элемента 23 сигнала, пропорционального открытию крана 12 отбора воздуха, элемент 23 через элемент 22 подключает программное задающее устройство 15 и регулятор 20 подает команду исполнительному механизму 21, который обеспечивает поворот лопаток в противоположном направлении вращения ротоpа и тем самым смещение рабочей точки А в точку В, т. е. в точку с более высокой степенью повышения давления и тягой, но с несколько меньшим, но достаточным запахом устойчивой работы.

При снятии сигнала от задатчика 26 и селектора 24 элемент 22 автоматически переводит работу двигателя в исходное положение.

Разница в углах установки направляющих и спрямляющих аппаратов компрессора для индивидуальных программ регулирования для режимов без и с отбором воздуха для нужд самолета определяется экспериментальным или расчетным путем.

Техническая эффективность изобретения заключается в том, что введение дополнительной коррекции положения поворотных направляющих и спрямляющих лопаток компрессора позволяет более рационально использовать индивидуальные законы регулирования α _НА= f(n_КВД/) для режимов без отбора и с отбором воздуха от компрессора на стабилизацию и управление самолета и в случае необходимости на 2. . . 3% увеличить тягу или запасы устойчивой работы, что в целом значительно расширяет диапазон регулирования существующей системы автоматического управления двигателя, предназначенного для самолетов вертикального или укороченного взлета и посадки. (56) Патент Франции N 2228166, кл. F 04 D 27/00, опублик. 1975.

Патент США N 3526384, кл. F 02 C 9/10, опублик. 1970.

Авторское свидетельство СССР N 1475260, кл. F 02 C 9/00, 1987.

Использование: энергетика. Сущность изобретения: устройство содержит соединенные между собой селектор и два задатчика режимов. При работе на режимах с отбором воздуха от компрессора на стабилизацию или управление самолетом первым задатчиком подается сигнал в селектор. Получив сигнал от первого задатчика, селектор на своем выходе формирует сигнал на вход логического элемента. Если необходимо кратковременно повысить тягу на режимах без отбора воздуха от компрессора на стабилизацию и управление самолетом, вторым задатчиком формируют сигнал на вход селектора, который имитирует на вход логического элемента сигнал от датчика, пропорциональный положению крана отбора воздуха от компрессора при полном или частичном его открытии. 2 ил.

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ с поворотными лопатками направляющего аппарата и отбором воздуха от компрессора для нужд самолета вертикального или укороченного взлета и посадки, содержащая последовательно подключенные исполнительный механизм и регулятор поворота лопаток и логический элемент ИЛИ, два входа которого связаны с параллельно установленными программными задающими устройствами, причем один вход элемента ИЛИ связан непосредственно, другой через логический элемент И, который вторым своим входом подключен к датчику положения кранов отбора воздуха от компрессора, каждое программное задающее устройство параллельно подсоединено к датчикам частоты вращения ротора, температуры воздуха на входе и поворота лопаток направляющего аппарата компрессора, отличающаяся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования путем обеспечения работы на режимах без отбора и с отбором воздуха от компрессора, она содержит соединенные между собой блок селектора и задатчики режимов, причем выходы селектора параллельно подключенны к логическому элементу ИЛИ и к линии связи датчика положения кранов отбора воздуха от компрессора с логическим элементом И.