УСТРОЙСТВО для МОДЕЛИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Советский патент 1971 года по МПК G06G7/64 

Изобретение относится к области электронных аналоговых систем, и, IB частности, к системам моделирования газотурбинных двигателей и исшытания их тапл.иеных агрегатов.

Известны электронные аналоговые устройства и .безмоторные стенды для испытания тапливорвгулирующей аппаратуры одновальных и двух.вальных аеиащиоздных дв1игателей, выполненных на базе электраприводов типа «генератор-дВИгатель и элементов аналоговой вычислительной техники.

Однако известные устройства не могут быть использованы для моделирования газотурбинных двигателей (ГТД) в случае, когда валы турбин компрессоров низкого и высокога давления и силовой тур.бины связаны между собой через газодинамический тракт, имеют три обособленных выхода но оборотам, а топливный насос-регулятор регулирует подачу топлива в камеру сгорания в зависимости от оборотов всех трех выходных валов. В таких уст1ройствах отсутствует возможность имитации влияния специальных узлов ГТД, на;пр1имер регулируемых сопловых аппаратов (РСА), на регуЛИруемые параметры ГТД.

.Предлагаемое устройство позволяет цроводить испытания и исследования тонливорегулирующей аппаратуры трехвального ГТД, связанной с условиями ра;боты строго апределенными .физическими законами, и представляет собой ф.изико-математическую модель трехвального ГТД, динамика которого описывается дифференциальными уравнениями вида:

(V + 1)«1 KI.GI- AV,A/, - /х,:. ; (Т,р -г 1)Ая, K.lGj -Ь К.,.,п, -- /Ч.АорсА ; , ( -7- 1)А/гз Я.;1АСт Ч- .1 г Л.Ад., Л . jA-JpcA - ,:,- - гдеГь Т2, Гз - постоянные времени турбокомпрессоров низкого Ki, Кг2, , И высокого давления и KZZ, K-23J Ks, К-32 силовой турбины; Kz3j Кз4, Ki,5- статические коэффициенты передачи системы;

AGi - отклонение величи. расхода топлива от установившейся;

fii, П2, отклонение скоростей вращения турбокомпрессоров Низкого и высокого давления и силовой турбины;

- -РРСА - отклонение величины загрузки РСА от установившейся;

Устройство имеет электричеокие, гидравлические и мехаиичес,кие выходы для соединения с реалшым комплектом взаимосвяза-нных Т01пли.в«ых алрегатов. Оно позволяет устранить отмеченные недостатки ювестных устройств дает возможность получать задалные динамические и стат.ические характеристики воапроиэводимого объекта три высокой точности, повторяемости результатов моделирования и надежности.

Предлагаемое устройство содержит три независимых электропривода постоянн-ого тока тина «генератор-двигатель, три нолупроводHHiKOiBbix релейных усилителя мощности, три датчика оборотов переменного тока с выпряЛ.ителями, шесть операционных усилителей постоянного тока, четыре блока иостоянных времени, пять блоков нелиней-ности, датчик расхода жидкости турбинного тиюа с преобразователем частотного сигнала в непрерывный, датчик углового перемещен-ия с 1преоб|разователем, согласующее устройство с элект1рон«ым регулятором, согласующее входное устройспво с электронным регулятаром темтературы, блок загрузки силовой турбины, регулятор положения РСА с силовой турбины и отличается от .из1вестных тем, что выходное нанряжени датчика углового перемещения, пропорциональное шоложению РСА, через сйпе|ра1ционный усилитель ттостояиного тока .подключено на вход блока нелинейности, имитирующего функциональную зависимость статической характеристики силовой турбины от регулятора положения РСА, и одновременно -«о входам блоков нел-инейлости, имити(рующих функциональную зависимость статической характеристики турбин комшрессцров низкого и высокого давления от регулятора положения РСА. Кроме того, выход датчика оборотов переменного тока, замеряющего скорость вращеиия вала электропривода, имитирующего турбокомтрессор низкого давления, подключен через выпрямитель параллельно на входы суммирующих операционных усилителей постоянного TOiKa, выдающих управляющие сигналы в силовые следящие системы, имитируюЩИе скорости в)ращения валов турбокомпрессора высокого давления и силовой турбины.

Такое устройство позволяет воспроизводить функциональную зависимость влияния регулятора положения РСА в системе регул.ироваяия трехвального ГТД на подачу топлива в «аме|ру сгорания и поддержания оборотов двИГателя, а также газодинамическую связь турбокомпрессора низкого давления с турбокомпрессором высокого давления и силовой турбиной.

.На чертеже представлена трИНщипиальная схема предлагаемого устройства, содержащего электродвигатели 1-3 постоянного тока с независимым возбуждением; генераторы 4-6 постоянного тока; полупроводниковые релейные усилители мощности 7-9; мультипли-каторы 10-/2; датчики 13, 14, 15 об ротав netpeменного така, установленные соответственно на вала.х мультипликаторов 10-12; выпрямител.и 16, 17, 18; датчвк расхода 19 турбинного типа; преобразователь 20 электрического частотного сигнала датчика расхода в «апрерывный датчик углового неремещения соплового аппарата; (преобразователь 22; операдионные уоилители 23-28 постоянного тока; блоки 29-32 ПОСТОЯННЫХ времени; блоки 33-

0 37 нелинейности от одной переменной; блок 38 загрузки силовой турбины с рычагом управления 39; элект1ронный регулятор температуры 40 с блоком 4Л согласующего входного устройства; исследуемую топливную аппаратуру,

i включающую в себя исполнительный механизм ограничителя температуры газо1в за турбиной 42 топливный насос-регулятор 43 с рычагом управления 44, регулятор-ограничитель 45 оборотов силовой турбины, регулятор 46

0 положения РСА с рычагом 47 ручного управления, топливный насос 43 постоянного давления с регулятором оборотов компрессора низкого давления; топливную систему 49 испытательного стенда; эквивалент форсунок двигателя 50.

При работе устройства в режиме модели трехвального ГТД с РСА силовой турбины рычаг управления 44 исследуемого насоса-регулятора 43 устанавливается в положение «ма лый газ, включаются элект1родвигатели / и 5, затем электродвигатель 2, который через мультипликатор 11 приводит во вращение .качающий узел насоса-регулятора 43 с некоторыми начальными оборотами, определяемыми

величиной начального сигнала на выходе блоков нелинейности 34 и 37. Сигнал от датчика 19 расхода топлива после преобразования в блоке 20 и усилителе 25 гаостоянного тока поаается в виде уровня напряжения постоянного

тока на .входы блоков нелинейности 33, 34, 35, воспроизводящих статические характеристики по расходу топлива турбокомпрессоров низкого давления и силовой турбины.

В блоках 24, 32, 33. 27, 30, 34; 2-8, 29, 35 происходит формирование управляющих электрических сигналов, П031ВОЛЯЮЩИХ на выходах уст|ройства получить соответствующие статические и динамические характеристики имитируемого трехвального двигателя.

С выходов Суммирующих операдионных усилителей 26, 27, 23 постоянного тока, выдающих электрические сигналы, прапо1р;цио.нальные скорости вращения турбин ГТД, сигналы поступают на входы силовых следящ1Их систем (поз. 7, 6, 1, 12. J3, 16; 8, Ь, 12, П, 14, 17; 9, 4, 3, 10, 15, 18), имитирующи.х соответственно скорости вращения турбокомпрессоров низкого и высокого давления и силовой турбины.

Таким образом, задающие электрические сигналы (поступают на входы полупроводниковых релейных усилителей мощности 7-9, выходные напряжения которых, в свою очередь, воздействуют на обмотки возбуждения генераторов 4-6 постоянного тока. Последние, увеличивая напряжение на якорях приводных

двигателей /-3, повышают их окоро.сти вращения. Через мультипликаторы 10-12 двигатели увеличивают обороты топливных агрегатов 43, 45, 48 до оборотов «малого газа.

Обратные связи в следящих системах (лоз. 7, 6, 1, 1-2, ,13, 16; 8, 5, 2, 11, 14, 17; 9, 4, 3, 10, 15, 18) 1П031ВОЛЯЮТ -качественно поддерж.ивать скорости вращения выходных валов мультипликатаров 10-12 в зависимости от сигнала рассогласоваиия на входах иолупроводнековых релейных усилителей мощности 7-9, а устранять дрейфы скорости вращения электродвигателей /-3 постоянного тока, обусловленные внешними причинами.

Электрический сигнал, пропорциональный углу поворота сопловых аппаратов, с выхода датчика 2 углового .перемещения через шреобразователь 22 и операциокный усилитель 23 постояННОГО тока поступает -на вход блоков нелинейности 36, 37. Выходные напряжения последних подаются на входы суммирующих усилителей 24, 27, 28. Уровне напряжений, выдаваемые датчиком 21 углового перемещения, в зависимости от положения рычага у1правления 47 регулятора РСА 46 обуславливают имитаЦию трех основных режимов работы соплового аппарата силовой турбилы трехвального ГТД: загрузка, свободный режим и режим торможения.

На суммирующие операционные усилители 27, 28 посту1пает электрический сигнал, пропорциональный скорости вращения электродвигателя А благодаря чему учитывается газодипамическое влияние турбины компрессора низкого давления на турбины компрессора высокого давления и ,на силовую турбину.

Подобным же образом в устройстве учитывается газодинамическая связь турбины компрессора высокого давления с турбиной компрессора низкого давления и силовой турбиной.

Блок 38 с рычагом управления 39 обеспечивает воспроизведение режима запрузки силовой турбины.

На установившемся режиме расход топлива, скорости вращения выходных валов мультипликаторов 10-12, давление в .магистрали топливного иасоса 48 постоянного давления, а также напряжения на всех элементах устройства являются постоянными величинами, которые определяются положением рычага управления 44 .насоса-регулятора 43, рычага 47 ручного управления регулятора РСА 46 и рычага управления 39 блока 38 загрузки силовой турбины.

В переходном режиме по рычагу управления 44 насоса-регул1ятора 43, когда он переводится в |положение максимального режима, система выходит из состояния равновесия, и расход топлива на выходе насоса-регулятора 43, проходящий через датчик 19, начинает увеличиваться. Это изменение расхода вызывает увеличение уровня напряжения, снимаемого с преобразователя 20. Напряжение на выходе опера.ционного усилителя 25 постоянного тока также возрастает, что, в свою очередь, как было описано выше, увеличивает обороты мультипликаторов 10-12, соответствующие оборотам турбоком111фессоров низкого и ВЫСОКОГО давления и силовой турбины до тех пер, пока топливный насос-регулятор 43 не прекратит увеличивать расход топлива.

После того, как расход топлива в то.пливной системе 49 установится, наступает новое равновесное состояние устройства.

.Пе|ремещение рычага управления 39 блока загрузки 38, когда рычаг управления 44 насоса-регулятора 43 находится ;в положении «полный газ, имит1ирует ,режим изменения загрузки силовой турбины ГТД. Например, при имита-ции загрузки силовой турбины пропорцио.нально пере.мещению рычага управления 39, уровень выдаваемого блоком 38 сигнала уменьшается. Следовательно, управляющий сигнал на выходе операционного усилителя 28

увеличивается, т. е. увеличивается скорость вращения эле1ктродвигателя 3 и соответственно мультипликатора 10. Это увеличение скорости вращения воспринимается регуляторомограничителем 45 оборотов силовой турбины,

который уменьшает расход в топливной магистрали 49 и за счет воздействия датчи1ка расхода 19, преобразователя 20 и далее по схеме (.поз. 25, 34, 27, 8, 2, 11; 25, 33, 24, 7, 6, 1, 12; 25, 35, 28, 9, 4, 3, 10) Изменяет скорости iBipaщения электродвигателей 1-3 до тех пор, пока скорость вращения элект1родвигателя 3 не достигнет заданного значения, соответствующего измененной загрузке силовой турбины. При этом уменьшение расхода прекращается

и устройство приходит к новому установЕвшемуся состоянию, определяемому величиной загрузки силовой турбины.

Изменением .положения рычага управления 47 регулятора РСА 46 имитируется три режима тре.хвального ГТД, которые соответствуют полной загрузке, свободному вращению и тормозному режиму силовой турбины. В этом случае рычаг управления 44 насоса-регулятора 43 устанавливается в положение «полный газ, а рычаг управления 39 блока загрузки 38 в положение, соответствующее полной загрузке силовой турбины.

Предмет изобретения

50

Устройство для моделирования газотурбинных двигателей, содержащее электроприводы (ПОСТОЯННОГО тока, полупроводниковые усилители мощности, датчики оборотов с выпрямителями, операционные усилители, блоки нелинейности, датчик углового перемещения соплового аппарата с преобразователем, мультивибраторы н генераторы постоянного тока, ог60 личающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и упрощения устройства, в нем выход датчика угло.вого перемещения соплового аппарата через преобразователь и операционный усилитель подклющего .функциональную зависнмость статической характеристики силовой турбины от .положения рычага упраеления регулятора соллового аппарата .и одновременно на вход бло«а Нелинейности, моделирующего функционал{ ную зависимость статических характеристик турбокомлреосаров «изкого и высокого давления от положения рычага управления регулятора соплового аппарата, причем выход

датзвка оборотов электропривода, моделирующего, .окор ость вращения, турбокомпрессора ниэко1-о давления; через выпрямитель подключен параллельно на .входы двух суммирующих операцирн.ных усилителей, выходы которых соединены с последовательно , соединенными усилителем мощности, генератором постоянного токи, мультивибратором и датчиком оборотов. - . .