СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Советский патент 1994 года по МПК F02C9/26 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при проектировании и доводке систем автоматического управления (САУ) ГТД.

Известен способ управления ГТД путем дозирования топлива в основную камеру сгорания в зависимости от заданного и текущего значений регулируемого внутридвигательного параметра (например частоты вращения) (1).

В современных высокотемпературных ГТД для надежной работы турбины на высокотемпературных режимах применяют ее охлаждение за счет отбора части воздуха за компрессором, что может составить 10% от общего расхода воздуха на данном режиме работы ГТД.

Наиболее близким по технической сущности является способ регулирования ГТД путем изменения расхода топлива в основную камеру сгорания пропорционально отклонению текущего значения регулируемого параметра от заданной величины и подачи охлаждающего воздуха в турбину (2).

Недостатком такого регулирования ГТД является то, что на любом из дроссельных режимов, меньших, чем максимальный режим работы ГТД, т. е. на этих режимах происходит избыточный отбор воздуха от компрессора на охлаждение турбины, что ухудшает экономичность ГТД, это отчетливо видно из графиков, где
P - тяга двигателя;
G_p - относительный удельный расход топлива;
n - частота вращения ротора;
- относительный расход воздуха, отбираемый на охлаждение турбины.

Цель изобретения - повышение экономичности двигателя.

Указанная цель достигается тем, что дополнительно измеряют перепад давлений на регуляторе расхода и частоту вращения ротора двигателя, пропорционально которой формируют сигнал заданного перепада давлений на регуляторе расхода, а подачу охлаждающего воздуха измеряют пропорционально отклонению измеренного перепада от заданного.

По сравнению с известным способом регулированиe подачи охлаждающего воздуха в турбину в зависимости от потребного охлаждения турбины на данном режиме работы ГТД, которое определяется заданным значением перепада давлений на регуляторе расхода, позволяет отбирать от компрессора только такую часть воздуха на охлаждение турбины, которая необходима для ее безопасной работы. Вследствие этого увеличивается по сравнению с условием отбора воздуха на охлаждение общий расход воздуха на входе в турбину, что приводит к относительному увеличению тяги или уменьшению удельного расхода топлива на дроссельном режиме работы ГТД, а значит двигатель становится более экономичным.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего данный способ; на фиг. 2 - характеристики ГТД; на фиг. 3 - структурная схема системы управления охлаждением турбины.

Устройство содержит объект регулирования, т. е. высокотемпературный ГТД 1 с магистралью 2 подвода охлаждающего воздуха к лопаткам турбины. Также ГТД 1 имеет систему топливопитания (САУ) 3 основной камеры сгорания, выход которой подключен к магистрали 4 подачи топлива в основную камеру сгорания, а вход электрически связан с датчиком 5 частоты вращения, который механически связан с ротором ГТД 1, исполнительный механизм 6, датчики 7 и 8 давлений и систему 9 управления.

Система 9 управления может представлять собой электронное аналоговое или цифровое вычислительное устройство, которое состоит из преобразователя 10, вход которого электрически связан с датчиком 5 частоты вращения, а выход соединен с функциональным усилителем 11, который реализует зависимость = f(n). Выход функционального усилителя 11 соединен с входом функционального усилителя 12, реализующего зависимость π_др³ = f, выход которого соединен с одним из входов суммирующего усилителя 13. Другой вход суммирующего усилителя 13 соединен с выходом функционального усилителя 14, два выхода которого соответственно соединены с датчиками 7 и 8 давлений. Усилитель 14 реализует функцию деления двух сигналов (π_др= P_охл/P₂). Суммирующий усилитель 13, реализующий уравнение Δπ_др = π_др³-π_д, своим выходом соединен с входом блока 14, который реализует передаточную функцию пропорционально интегрального регулятора ( π-регулятор).

= = Kτ+ .

Выход блока 14 соединен с электрическим входом исполнительного механизма 6. Блок 14 состоит из усилителя 15, вход которого соединен с выходом суммирующего усилителя 13, и интегрирующего усилителя 16. Выходы усилителя 15 и интегрирующего усилителя 16 соответственно соединены с входом суммирующего усилителя 17, выход которого подсоединен к исполнительному механизму 6. Усилитель 15 реализует пропорциональную часть К τ π -регулятора, и интегрирующий усилитель 16 реализует интегральную часть π-регулятора.

Коэффициент К усиления и постоянные времени τ подбираются расчетным или экспериментальным путем, исходя из заданных требований регулирования охлаждающего воздуха турбины.

Способ реализуется следующим образом.

ГТД 1 по команде от рычага управления через САУ выводят на высокотемпературный режим работы. Это происходит следующим образом.

Датчик 5 частоты вращения, механически связанный с ротором, вырабатывает сигнал, пропорциональный частоте вращения ротора, который поступает на вход САУ 3.

В САУ 3 происходит формирование сигнала рассогласования между заданной частотой вращения, зависящей от положения рычага управления и сигнала, поступающего от датчика 5. В зависимости от рассогласования САУ 3 посредством дозирующего крана меняет расход топлива, поступающего через топливную магистраль в основную камеру сгорания ГТД 1 до того момента, когда заданное значение частоты вращения не будет равно текущему. Таким образом САУ 3 поддерживает заданный режим работы ГТД 1.

Одновременно сигнал частоты вращения с датчика 5 поступает на вход преобразователя 10 системы 9 управления охлаждением турбины. Преобразователь 10 преобразовывает частотный сигнал в аналоговый сигнал, пропорциональный частоте вращения, который поступает на функциональный усилитель 11. Функциональный усилитель 11 формирует на своем выходе сигнал, пропорциональный относительному расходу охлаждающего воздуха, который необходим для охлаждения турбины для данной частоты вращения ГТД 1.

Зависимость = f(n), которую реализует функциональный усилитель, определяется расчетным или экспериментальным путем из условия обеспечения потребного охлаждения турбины для каждого конкретного высокотемпературного режима работы ГТД до максимального режима работы ГТД.

Сигнал, пропорциональный относительному расходу охлаждающего воздуха, поступает на вход функционального усилителя 12, который формирует на своем выходе соответствующий заданному относительному расходу охлаждающего воздуха сигнал, пропорциональный отношению давлений π _д³ = на выходе и входе исполнительного механизма 6, при котором исполнительный механизм 6 должен обеспечить заданный относительный расход воздуха на охлаждение турбины для данного режима работы ГТД 1.

Сигнал, пропорциональный заданному отношению давлений, поступает на один из выходов суммирующего усилителя 13, на другой вход которого поступает сигнал от функционального усилителя 14, который по сигналам, пропорциональным давлениям на выходе Р_охл и входе Р_кисполнительного механизма 6, поступающим от соответствующих датчиков 8 и 7 давления, формирует на своем выходе сигнал, пропорциональный текущему значению отношений давлений π _др = P_охл/P_k. Суммирующий усилитель 13 формирует на своем выходе сигнал, пропорциональный рассогласованию между заданными и текущим значениями отношений давлений, который поступает на блок 14. Блок 14 в соответствии с законом π-регулятора формирует на своем выходе сигнал управления, а именно приращение тока исполнительного механизма 6, который в зависимости от тока управления дросселирует расход воздуха в магистрали 2 до момента, когда текущее отношение давлений, измеренное соответственно датчиками 8 и 7 давлений, не будет равно заданному отношению давлений, определяемому из условия необходимого потребного охлаждения турбины на данном режиме работы ГТД.

Таким образом регулируется расход воздуха в магистрали 2 подвода охлаждающего воздуха к лопаткам турбины ГТД 1.

По сравнению с известным по предлагаемому способу на охлаждение турбины производится отбор от компрессора только той части воздуха, которая необходима для ее безопасной работы. Вследствие этого увеличивается общий расход воздуха на входе в турбину, что приводит к относительному увеличению тяги или уменьшению расхода топлива на дроссельном режиме работы ГТД, а значит двигатель становится более экономичным. (56) Теория автоматического управления силовыми установками летательных аппаратов/Под ред. А. А. Шевякова, М. : Машиностроение, 1976, с. 76-77, рис. 3.1.

Авторское свидетельство СССР N 1311317, кл. F 02 C 9/26, 1985.

Назначение: регулирование ГТД. Сущность изобретения: на двигателе, оборудованном регулятором расхода охлаждающего воздуха, измеряют перепад давлений воздуха на регуляторе расхода и частоту вращения ротора. Пропорционально последней формируют сигнал заданного перепада на регуляторе расхода и изменяют подачу охлаждающего воздуха пропорционально отклонению измеренного перепада от заданного. 3 ил.

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ путем изменения расхода топлива в основную камеру сгорания пропорционально отклонению текущего значения регулируемого параметра от заданной величины и подачи охлаждающего воздуха в турбину, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности двигателя, оборудованного регулятором расхода охлаждающего воздуха, дополнительно измеряют перепад давлений на регуляторе расхода и частоту вращения ротора двигателя, пропорционально которой формируют сигнал заданного перепада давлений на регуляторе расхода, а подачу охлаждающего воздуха изменяют пропорционально отклонению измеренного перепада от заданного.