СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ РАДИАЛЬНОГО ЗАЗОРА В ТУРБИНЕ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области авиационного двигателестроения, в частности, к системам активного управления радиальными зазорами газотурбинных двигателей (ГТД).
Известна система регулирования радиального зазора в турбине ГТД, содержащая датчики измерения радиального зазора, трубопровод, соединенный с аппаратом закрутки и с отверстиями в переднем дефлекторе и в диске, причем трубопровод связан с регулятором расхода воздуха, подаваемого от компрессора.
В процессе работы системы посредством датчиков постоянно измеряют радиальный зазор, значение которого передается в бортовой компьютер и в зависимости от его величины выдают команду на регулятор для изменения расхода охлаждающего воздуха, подаваемого от компрессора для охлаждения ротора и статора турбины.
(см. опубликованная заявка РФ №2012118142, кл. F03H 99/00, 2013 г.).
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что в данной системе не учитывается дополнительное изменение радиального зазора от влияния центробежных сил на вытяжку рабочих лопаток турбины Известно устройство управления радиальными зазорами ГТД, включающее датчики: температуры воздуха на входе в двигатель; частоты вращения ротора высокого давления двигателя; давления воздуха на входе в двигатель.
Датчики температуры воздуха и частоты вращения связаны с блоком формирования приведенной частоты вращения ротора, выход которого связан с первым компаратором, предназначенным для сравнения фактического значения приведенной частоты вращения с заранее заданным пороговым значением.
Устройство также оснащено вторым компаратором, предназначенным для сравнения фактической величины давления воздуха на входе в двигатель с заранее заданным пороговым значением. Первый выход первого компаратора и выход второго компаратора через схему «И» подключены к входу второго исполнительного механизма, а вход первого исполнительного механизма связан со вторым выходом первого компаратора.
Первый исполнительный механизм предназначен для регулирования подвода охлаждающего воздуха на обдув корпуса турбины по первой группе трубопроводов, а второй исполнительный механизм - по второй группе трубопроводов.
На вход схемы «И» подают два сигнала на включение обдува: первый - из первого компаратора, второй - из второго. Схема «И» работает в следующем логическом режиме. При поступлении сигналов на включение обдува из компараторов сигнал на включение второй группы трубопроводов из схемы «И» поступает на второй исполнительный механизм. Отключение второй группы трубопроводов по сигналам, поступающим на исполнительный механизм, осуществляется во всех остальных случаях.
При работе устройства, поступающие с датчиков сигналы и значение сигнала приведенной частоты вращения, поступают в компараторы, в которых они сравниваются с заданными пороговыми значениями. Сигнал рассогласования из второго компаратора поступает на вход схемы «И», а сигнал из первого компаратора (при условии, если приведенное значение больше порогового значения) на включение обдува поступает на первый исполнительный механизм и вход схемы «И». В схеме «И», в зависимости от значений выходных сигналов из компараторов, формируется сигнал, поступающий на второй исполнительный механизм по следующей логической схеме: когда оба выходных сигнала из компараторов поступают на вход схемы «И», то формируется сигнал на включение обдува корпуса с помощью второй группы трубопроводов, в остальных случаях формируется сигнал на отключение обдува корпуса.
Если приведенное значение больше порогового значения сигнал на включение поступает на первый исполнительный механизм, включающий первую группу трубопроводов, если это условие не выполняется, то обе группы трубопроводов отключены.
Если давление воздуха на входе в двигатель больше порогового значения - во втором компараторе формируется сигнал на выключение обдува.
Если это условие не выполняется, то возможны два варианта:
- если из двух компараторов на схему «И» поступают сигналы на включение обдува, то в схеме «И» формируется сигнал на второй исполнительный механизм, подключающий вторую группу трубопроводов;
- если из одного из компараторов (или из обоих) поступает сигнал на отключение обдува, схема «И» выдает на второй исполнительный механизм сигнал на отключение обдува.
(см. патент РФ №1540389, кл. F01D 11/08, 1994 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа выполнения известного устройства необходимо отметить, что оно не предполагает при работе непосредственного контроля величины радиального зазора, а основано на измерении влияющих на его величину косвенных параметров (температуры воздуха на входе в двигатель, частоты вращения ротора турбины, давления воздуха на входе в двигатель), сравнении их с заранее заданными пороговыми значениями и по результатам сравнения регулирования интенсивности обдува турбины, поэтому данное устройство не позволяет обеспечить поддержание радиального зазора с достаточной точностью, так как не учитывает реального его изменения в процессе работы турбины ГТД.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение точности регулирования радиального зазора в турбине ГТД за счет постоянного контроля и поддержания его значения в заданных пределах за счет учета влияния на его значение динамических, монтажных и тепловых факторов. Это также позволяет сократить время приемистости двигателя по тяге и улучшить экономичность двигателя на стационарных режимах
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в системе регулирования радиального зазора в турбине газотурбинного двигателя, содержащей датчик частоты вращения ротора, первое и второе сравнивающее устройства, а также регулятор расхода воздуха, подаваемого от компрессора на ротор и статор турбины, новым является то, что система оснащена блоком вычисления центробежной вытяжки лопаток турбины, блоком вычисления радиальных зазоров на стационарных режимах, а также первым и вторым сумматорами и измерителем величины радиального зазора, причем датчик частоты вращения ротора связан с блоком вычисления центробежной вытяжки лопаток турбины и блоком вычисления радиальных зазоров на стационарных режимах, выход которого связан с первым входом первого сумматора, со вторым входом которого связан выход блока вычисления центробежной вытяжки лопаток турбины, выход первого сумматора связан с входом второго сумматора, выход второго сумматора связан с первым входом первого сравнивающего устройства, со вторым входом которого связан измеритель радиального зазора, а выход первого сравнивающего устройства связан с входом второго сравнивающего устройства и с регулятором, при этом, система оснащена установленным в магистрали, соединяющей компрессор и регулятор регулируемым клапаном управляющий элемент которого связан с выходом второго сравнивающего устройства.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема системы регулирования радиального зазора в турбине ГТД.
Система регулирования радиального зазора в турбине ГТД, содержащей статор 1 и ротор 2, включает измеритель 3 величины радиального зазора (зазора между статором и лопатками турбины ротора), датчик 4 частоты вращения ротора, связанный с блоком 5 вычисления центробежной вытяжки лопаток турбины. Система также содержит блок 6 вычисления радиальных зазоров на стационарных режимах работы турбины, выход которого связан с первым входом первого сумматора 7, со вторым входом которого связан выход блока 5. Вход блока 6 связан с датчиком 4. Выход первого сумматора 7 связан с входом второго сумматора 8, в который введены значения монтажных зазоров. Выход второго сумматора 8 связан с первым входом первого сравнивающего устройства 9, со вторым входом которого связан измеритель 3. Выход первого сравнивающего устройства связан с входом второго сравнивающего устройства 10.
ГТД оснащен компрессором 11 одна из ступеней которого посредством воздушной магистрали через управляемый клапан 12, управляющий элемент которого связан с выходом второго сравнивающего устройства 10, связана с регулятором (дозатором) 13 расхода воздуха, выход которого связан с распределителем 14 воздуха, подаваемого на ротор 2 и статор 1 для их обдува с целью поддержания заданной температуры. Дозирующий элемент регулятора 13 управляется сигналами, подаваемыми со второго сравнивающего устройства 10.
Механическая связь между компрессором 11 и турбиной обозначена позицией 15.
Часть элементов системы может быть реализована на платах бортового компьютера (не показан).
Система скомпонована с использованием стандартных элементов и блоков.
Так в качестве измерителя зазора может быть использован стандартный датчик.
В качестве блока вычисления центробежной вытяжки рабочих лопаток турбин может быть использован стандартный программный блок или плата бортового компьютера регулятора двигателя в которых рассчитывается вытяжка рабочих лопаток турбины по зависимости:
ЦБ
ЦБ
ЦБ
2
Δδ=к∗n где к наперед заданная величина, а n - частота вращения ротора турбины.
лрр
лрр
В качестве блока вычисления радиального зазора на стационарных режимах δ может быть использован стандартный программный блок или процессор бортового комьютера, в который заложена заранее вычисленная зависимость δ=f(n).
В качестве сравнивающих устройств могут быть использованы практически любые устройства, реализующие алгоритм сравнения двух величин.
Устройства, обозначенные позициями 8, 12, 13, 14 являются стандартными.
Элементы и устройства, по позициям 5, 6, 7, 8, 9, 10 могут быть реализованы на платах бортового компьютера.
Система регулирования радиального зазора в турбине ГТД работает следующим образом.
Перед началом эксплуатации системы в блок 5 вводят значения величин вытяжки лопаток ротора турбины на всех режимах ее работы. В блок 6 вводят значения радиальных зазоров для стационарных режимов работы турбины. Данные значения могут быть получены различным образом, например, при испытаниях ГТД.
В сумматор 8 вводят значения монтажных зазоров, имеющих место при сборке турбины.
В сравнивающее устройство 10 вводят заданные значения размеров радиальных зазоров, определенные заранее экспериментальным путем в зависимости от температуры ротора и статора на всех режимах работы турбины.
В процессе работы ГТД компрессор 11 приводит во вращение ротор 2 турбины. От компрессора через открытый управляемый клапан 12 воздух через регулятор 13 расхода подается на делитель 14, направляющий потоки воздуха на ротор и на статор турбины для поддержания их заданной температуры.
В процессе работы турбины, учитывая, что она работает в большом диапазоне режимов, радиальный зазор между ротором 1 и статором 2 постоянно меняется в зависимости от режимов работы ГТД, высоты полета и пр. Величина радиального зазора постоянно измеряется измерителем 3, а частота вращения ротора постоянно измеряется датчиком 4.
В блоке 5, в зависимости от частоты вращения ротора определяется значение радиальной вытяжки лопаток турбин.
Параллельно в блоке 6 осуществляется вычисление значений радиального зазора на стационарных режимах работы турбины.
Полученные в блоках 5 и 6 значения радиального зазора подаются на первый сумматор 7, где суммируются и сигнал, полученный в результате суммирования, подается на второй сумматор 8, где суммируются со значением монтажного зазора. В результате во втором сумматоре получаем сигнал, характеризующий расчетное значение зазора, которое учитывает его изменение на стационарных и переходных режимах работы турбины, а также учитывает значения монтажных зазоров.
Полученное расчетное значение зазора сравнивается во втором сумматоре 9 с сигналом измерителя 3, характеризующим реальное значение радиального зазора на момент измерения, которое изменяется, в основном, в зависимости от температур нагрева ротора и статора, в результате чего получаем значение реального отклонения радиального зазора от расчетного, которое поступает на регулятор 13, регулируя подаваемый на делитель 14 расход воздуха от компрессора.
Параллельно сигнал со второго сумматора 9 поступает на второе сравнивающее устройство 10, где сравнивается с заранее заложенными параметрами зазора. В случае, если реальное значение зазора больше или равно заложенному значению, то система работает в режиме обдува ротора и статора турбины, поддерживая значение зазора в заданном интервале. В случае, если реальное значение зазора меньше расчетного, то со сравнивающего устройства 10 поступает команда на клапан 12, который отсекает подачу воздуха не регулятор 13.
При использовании системы, кроме технического результата, указанного выше, обеспечивается повышение экономичности двигателя на стационарных режимах и уменьшение времени приемистости по тяге двигателя, что важно при разгонах самолета.