Устройство для регулирования тем-пЕРАТуРы РАбОчиХ гАзОВ гАзОТуРбиННОйуСТАНОВКи Советский патент 1981 года по МПК G05D23/22 

1

Изобретение относится к области автоматики, а именно к системам регулирования стационарных установок и двигателей, в частности к системам регулирования температуры рабочих газов газотурбинной установки.

К статическим и динамическим свойствам регуляторов и автоматических ограничителей температуры газотурбинной установки предъявляются весьма жесткие требования, вызванные с одной стороны отрицательным воздействием превышения допустимой температуры рабочих газов на прочностные характеристики ряда элементов турбины, а с другой стороны - стремление достичь наивысшую температуру рабочих газов с целью увеличения термического КПД двигателя.

Одним из необходимых условий, обеспечивающих высокое качество регулирования и ограничения температуры рабочих газов газотурбинной установки является высокое быстродействие регулятора и, в частности, его измерительной системы. При этом приходится учитывать то, что осуществить надежное измерение температуры газового потока контактным методом в условиях работы ГТУ возможно только с помощью термодатчиков, имеющих высокую механическую прочность, например, с помощью

термопар в защитных чехлах из нержавеющей стали. Однако, такие термодатчики обладают значительной тепловой инерционностью.

Известны электронные регуляторы температуры рабочих газов газотурбинной установки, в которых для увеличения быстродействия измерительной системы применены специальные устройства коррекции динамических характеристик термодатчика с помощью активных или пассивных линейных форсирующих звеньев, включенных по следовательно с термодатчиком 1. Эти регуляторы по выходному сигналу термодатчика и по первой производной во времени от этого сигнала осуществляют определение температуры процесса, сравнение ее с уставкой и регулирование либо ограничение.

Однако увеличение быстродействия регулятора этим способом ограничено ввиду влияния отличия динамической характеристики термодатчика от характеристики звена первого порядка. Наличие у термодатчика чистого запаздывания не дает возможности существенно уменьшить с помощью указанной динамической коррекции постоянную времени измерительной системы, так как при увеличении сверх определенного предела отношения чистого запаздывания к постоянкой времени измерительной системы начинает ухудшаться устойчивость системы регулирования. Известно также устройство для регулирования температуры рабочих газов газотурбинной установки, содержащее термодатчик, задатчик температуры и корректирующую RC-цепочку, связанные с управляющим входом регулятора, подключенного к исполнительному механизму регулирующего клапана, и аналоговый вычислитель, подключенный выходом к упомянутой RC-цепочке 2. Аналоговый вычислитель в виде нелинейного преобразователя, осуществляет кусочно-линейную опроксимацию зависимости падения температуры в турбине от давления перед турбиной. Устройство дает возможность при регулировании температуры перед турбиной устанавливать термодатчик за турбиной, чем повышается надежность работы датчика и частично ликвидируется влияние неравноности температурного поля перед турбиной. Однако известное устройство имеет низкое быстродействие, поскольку корректирующий сигнал по давлению не имеет в динамике однозначной связи с температурой перед турбиной. Так, например, при резком увеличении расхода топлива температура рабочих газов также резко возрастает, а затем начнет падать по мере разгона турбокомпрессора. Давление же растет в течение всего переходного процесса. Вначале оно несколько возрастает нз-за увеличения сопротивления газам в турбинном тракте, а затем наблюдается основной рост давления, происходящий вследствие разгона турбокомпрессора. Таким образом, в рассмотренном переходном процессе вначале росту температуры сопутствует рост давления, а затем снижению температуры соответствует повыщение давления. Включение аналогового вычислителя в известном устройстве целесообразно только для целей пересчета температуры за турбиной в температуру перед турбиной и никакого увеличения быстродействия устройства не обеспечивает. Цель изобретения - увеличение быстродействия устройства. Цель достигается тем, что известное устройство для регулирования температуры рабочих газов газотурбинной установки дополнительно снабжено датчиком положения исполнительного механизма регулирующего клапана топлива, подключенным к аналоговому вычислителю, а резистор корректирующей RC-цепочки соединен с управляющим входом регулятора. На чертеже изображено устройство для регулирования температуры. Устройство содержит термодатчик 1, задатчик 2 температуры, регулятор 3, исполнительный механизм 4, регулирующий клапан 5 топлива, датчик 6 положения регулирующего клапана, аналоговый вычислитель 7 и корректирующую КС-цепочку, состоящую из конденсатора 8 и резистора 9. Устройство может содержать донолнительно еще и регулятор 10 частоты вращения ротора. Последовательно включенные термодатчик 1, задатчик 2 температуры и резистор 9 корректирующей RC-цепочки соединены с управляющим входом регулятора 3. Выход регулятора 3 соединен с исполнительным механизмом 4, который соединен с регулирующим клапаном 5 топлива и датчиком 6 положения. Выход датчика 6 положения, соединен с аналоговым вычислителем 7, а выход последнего - с корректирующей RCцепочкой, На вход исполнительного механизма 4 помимо регулятора 3 может быть подключен еще регулирующий прибор регулятора 10 частоты вращения ротора. Аналоговый вычислитель 7 представляет собой динамическую модель газотурбинной установки, устанавливающую с определенной точностью связь между положением регулирующего клапана и температурой рабочих газов, и может быть выполнен на базе операционного усилителя с RC-цепочками в обратной связи. Известно, что инерционность термодатчика существенно влияет на качество регулирования. Сигнал выхода аналогового вычислителя 7, введенный на вход регулятора, эквивалентен сигналу безинерцнонного термодатчика. Однако для обеспечения статической точности этот сигнал должен заменяться сигналом термодатчика по мере проявления реакции термодатчика на изменение регулируемого параметра. Если передаточная функция термодатчика Wa.(p), то сигнал выхода аналогового вычислителя 7 должен быть введен в измерительную цепь регулятора через передаточную функцию W,{p} 1 - W,(p), где Wa (р) - передаточная функция термодатчика;р - оператор Лапласа; WK(P) - передаточная функция корректирующего звена. В этом случае сумма сигналов термодатчика и сигнала коррекции дает эквивалент безинерционной связи по параметру. Если приближенно представить термодатчик как апериодическое звено первого порядка с передаточной функцией . где Т - постоянная времени термодатчика, то корректирующая связь между выходом аналогового вычислителя 7 и входом регулятора должна иметь передаточную функциюW,(p) . 1 Такую передаточную функцию имеет RCцепочка из последовательно включенных конденсатора и резистора, если выходное напряжение снимается с резистора. По сути, с резистора корректирующей RC-цепоч- 5 ки снимается напряжение - аналог динамической погрешности термодатчика. Сумма этого напряжения и выходного напряжения термодатчика дает напряжение - безииерционный аналог температуры. Работа регулятора происходит следующим образом. Изменение положения регулирующего клапана 5 топлива вызывает соответствующее изменение температуры рабочих газов 15 газотурбинной установки и последующее изменение выходного сигнала термодатчика 1, воспроизводящего с определенной динамической погрешностью напряжение - аналог температуры. Одновременно изменение положения регулирующего клапана через датчик 6 положения поступает на аналоговый вычислитель 7, на выходе которого вырабатывается напряжение - аналог температуры рабочих 25 газов. Последнее поступает на RC-цепочку, на резисторе 9 которой появляется напряжение-аналог динамической погрешности термодатчика. Сумма напряжения выхода термодатчика 1 и напряжения на резисторе 30 9 корректирующей RC-цепочки, представляющая собой напряжение - безинерционный аналог температуры рабочих газов газотурбинной установки, после вычитания из напряжения задатчика 2 температуры посту- 35 пает на вход регулятора 3. Регулятор 3 воздействует на исполнительный механизм 4, который производит соответствующее перемещение регулирующего клапана 5 топлива. В качестве аналогового вычислителя 7 может быть применен решающий усилитель, в цепи обратной связи которого включены параллельно резистор и Т-образный RC-фильтр, состоящий из последовательно 45 включенных двух резисторов и подсоединенного к их общей точке конденсатора. Передаточная функция такого усилителя будет W(p)f 10 20 40 50 где К и Р - постоянные, Т - постоянная времени. Несмотря на то, что динамические характеристнкн газотурбинной установки описываются более сложными уравнениями, приведенная передаточная функция с вполне достаточным для данного случая приближением воспроизводит связь меладу положением регулирующего топливного клапана и температурой рабочих газов газотурбинной установки со свободным силовым валом. Динамическая модель одновальных газотурбинных установок, нагруженных на синхронный электрический генератор, может быть представлена идеальным звеном, т. е. датчик полол ения может быть непокорректирующейсредственно соединен с RC-цепочкой, состоящей из конденсатора 8 и резистора 9. Устройство для регулирования температуры рабочих газов, имея улучшенные динамические свойства, обеспечивает повышение надежности газотурбинной установки, ее маневренности, безопасности и повышение ресурса работы, Формула изобретения Устройство для регулирования температуры рабочих газов газотурбинной установкн, содержащее термодатчик, задатчиктемпературы и корректирующую RC-цепочку, связанные с управляющим входом регулятора, подключенного к исполнительному механизму регулирующего клапана топлива, и аналоговый вычислитель, подключенный выходом к упомянутой RC-цепочке, отличающееся тем, что, с целью увеличения быстродействия, оно снабжено датчиком полол ения исполнительного механизма регулирующего клапана топлива, подключенным к аналоговому вычислителю, а резистор корректирующей RC-цепочки соединен с управляющим входом регулятора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Боднер В. А. Автоматнка авиационных двигателей, Оборонгиз, 1956, с. 241-242. 2.Авторское свидетельство СССР № 199550, кл. G 05D 23/22, 1966 (прототип).