СПОСОБ ПРОТИВОПОМПАЖНОЙ ЗАЩИТЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD OF ANTI-SURGE PROTECTION OF GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к управлению силовыми установками летательных аппаратов, а именно к автоматической защите газотурбинного двигателя силовой установки вертолета от помпажа, то есть неустойчивой работы двигателя, характеризующейся падением и пульсациями давления воздуха за компрессором двигателя, приводящих к потере мощности двигателя.
Известен способ противопомпажной защиты вертолетного газотурбинного двигателя, наиболее близкий к заявляемому, реализованный в системе защиты от помпажа («Руководство по технической эксплуатации» вертолета Ми-26, раздел 73.21.00, с.1-4, рис.1). Способ включает контроль давления воздуха за компрессором двигателя, выдачу сигнала о возникновении помпажа сигнализатором помпажа ПС-2-7 (поз.7) и с помощью коммутационного реле (поз.6) формирование команд на устранение неустойчивой работы двигателя, а именно подачи сигнала на ограничение («срезку») подачи топлива (поз.8) и подачи сигнала на перепуск воздуха из компрессора низкого давления (поз.9). Частотные характеристики сигнализатора помпажа настроены на чувствительность в диапазоне низкочастотных помпажных колебаний до 30 Гц и выдачу сигнала «помпаж» при падении давления воздуха за компрессором двигателя в момент помпажных колебаний более 60% от исходного давления.
Недостатком такого способа противопомпажной защиты газотурбинного двигателя является возможность ложного срабатывания средств противопомпажной защиты при регистрации низкочастотных колебаний, сопровождающих некоторые штатные режимы работы двигателя (например, при сбросах режима), или замыкании проводов сигнализатора помпажа.
Кроме того, противопомпажная система двигателя Д-136 включается по первому помпажному провалу давления воздуха за компрессором, в то время как в большинстве случаев после первого провала давления воздуха за компрессором двигатель сам выходит из неустойчивого режима и восстанавливает исходный режим работы с минимальной потерей мощности за минимальное время.
При этом каждое подключение средств ликвидации помпажа: «срезка» топлива, открытие клапанов перепуска воздуха, прикрытие входных направляющих аппаратов и другие - приводят к значительной потере мощности двигателей и, как следствие, к потере высоты полета, что для вертолетов, летающих у земли, чрезвычайно опасно.
Задачей изобретения является повышение безопасности летательного аппарата за счет уменьшения вероятности случайных срабатываний противопомпажной защиты газотурбинного двигателя силовой установки.
Поставленная задача решена тем, что в способе противопомпажной защиты газотурбинного двигателя, включающем контроль колебаний давления воздуха за компрессором двигателя и формирование сигнала на включение средств ликвидации помпажа, например сигнала на ограничение подачи топлива, согласно изобретению колебания давления воздуха за компрессором контролируют параллельно широкополосным и низкочастотным сигнализаторами помпажа, причем сигнал низкочастотного сигнализатора помпажа сохраняют в течение заданного времени, соответствующего максимально возможной длительности ликвидации помпажа, и при получении одновременно сигналов от обоих сигнализаторов помпажа формируют сигнал на включение средств ликвидации помпажа, который подают с задержкой на заданное время, соответствующее длительности одного низкочастотного помпажного колебания давления воздуха за компрессором, при условии сохранения сигнала от широкополосного сигнализатора по истечении заданного времени задержки.
В случае ожидаемого теплового воздействия, который может привести к помпажу, предварительно осуществляют впрыск воды на вход газотурбинного двигателя.
Контроль колебаний давления воздуха за компрессором двигателя осуществляют одновременно двумя датчиками давления: низкочастотным сигнализатором помпажа, регистрирующим только сигнал от большого провала давления (от 5 до 30 Гц), и широкополосным сигнализатором помпажа, регистрирующим сигнал как при низкочастотных, так и при высокочастотных колебаниях давления воздуха за компрессором (вращающемся срыве) (от 5 до 130 Гц). Только в случае срабатывания двух помпажных сигнализаторов сумматор, работающий по схеме «И», формирует управляющий сигнал, который с задержкой на длительность одного низкочастотного помпажного колебания давления воздуха за компрессором, подается на включение средств, ликвидирующих помпаж и восстанавливающих работу двигателя. Использование задержки этого сигнала позволяет в большинстве случаев не использовать средства ликвидации помпажа. В случае самопроизвольного прекращения помпажа после первого провала давления сумматор не подает управляющий сигнал и средства ликвидации помпажа не подключаются.
Если же через заданное время задержки помпаж продолжается и широкополосный сигнализатор помпажа регистрирует помпажные колебания давления воздуха за компрессором, то благодаря блокированию сигнала низкочастотного сигнализатора помпажа обеспечивается наличие сигналов от обоих сигнализаторов помпажа для формирования управляющего сигнала и введение в действие средств ликвидации помпажа.
Длительность одного низкочастотного помпажного колебания давления воздуха за компрессором зависит от типа двигателя и составляет, например, для двигателя ТВ3-117 0,05 секунды. Задержка приведения в действие средств ликвидации помпажа в сотые доли секунды практически не влияет на время ликвидации помпажа.
Еще одной особенностью способа является возможность отслеживания помпажа в виде вращающегося срыва (т.е. падения давления воздуха за компрессором ниже давления воздуха режима двигателя малого газа и колебание давления воздуха с частотой 100-120 Гц). В то время как низкочастотный сигнализатор помпажа отслеживает только низкочастотные помпажные провалы давления воздуха и после первого помпажного провала его сигнал ставится на самоблокировку, широкополосный сигнализатор помпажа выдает сигнал при помпажных колебаниях от 5 до 130 Гц и снимает свой сигнал в случае ликвидации помпажа. Благодаря этому сигнализатору средства ликвидации помпажа будут работать до тех пор, пока длится помпаж любого типа, и если после ликвидации помпажа он вновь произойдет, то широкополосный сигнализатор помпажа снова включит эти средства.
Использование описанного способа защиты газотурбинного двигателя от помпажа уменьшает вероятность ложных срабатываний, приводящих к значительной потере мощности двигателей и потере высоты полета, что особенно опасно для вертолетов, летающих на низкой высоте.
Упомянутые режимы касаются случаев неожиданного помпажа газотурбинного двигателя. В случае ожидаемого теплового воздействия на двигатель целесообразно предварительное осуществление впрыска воды (или водно-спиртовой смеси) на вход двигателя. Это позволяет ускорить восстановление работы двигателя при осуществлении противопомпажной защиты в соответствии с изложенными выше операциями или вовсе предотвратить помпаж. Способ разработан и испытан для вертолетов, летающих на небольших высотах, и дает возможность не только с помощью впрыска выполнить функцию кратковременного повышения запасов газодинамической устойчивости двигателей, но и в случае, если система кратковременного повышения запасов газодинамической устойчивости не справляется с тепловым воздействием, сократить время ликвидации помпажа. В случае неожиданного возникновения помпажа двигателя впрыск жидкости как средство ликвидации помпажа не используется.
Способ противопомпажной защиты газотурбинного двигателя поясняется принципиальной схемой, изображенной на чертеже (фиг.1). Контроль давления воздуха за компрессором двигателя 1 включает регистрацию низкочастотных колебаний давления воздуха с помощью низкочастотного (5-30 Гц) сигнализатора помпажа 2 (типа ПС-2-7) и регистрацию всех типов колебаний давления воздуха с помощью широкополосного (5-130 Гц) сигнализатора помпажа 3 (типа ДВС).
Низкочастотный сигнализатор помпажа 2 срабатывает от большого провала давления воздуха за компрессором двигателя, и сигнал от него с помощью реле времени 4, установленного на его выходе, сохраняется в течение заданного времени, соответствующего максимально возможной длительности ликвидации помпажа (в диапазоне от 0,3 до 1,0 секунды).
Широкополосный сигнализатор помпажа 3 сигнализирует о наличии помпажа как при низкочастотных колебаниях воздуха за компрессором, так и при высокочастотных колебаниях воздуха за компрессором (вращающемся срыве) и на самоблокировку не становится.
С помощью сумматора 5 (работающего по схеме «И») при одновременном срабатывании двух сигнализаторов помпажа 2 и 3 формируют сигнал, который далее через реле 6 задержки сигнала попадает на блок 7 (силовые реле) включения команд для введения в действие имеющихся средств ликвидации помпажа, направленных на восстановление исходного режима работы двигателя: команду на включение агрегата зажигания, команду на исполнительный механизм ограничения подачи топлива для перехода двигателя на пониженный режим работы («срезку» топлива), команду на открытие клапана перепуска воздуха и другие.
к
На фигурах 2, 3, 4, соответственно, показан переходный процесс (амплитудно-частотные характеристики) изменения статического давления воздуха за компрессором двигателя Р при различных видах помпажа: низкочастотный помпаж, переход низкочастотного помпажа во вращающийся срыв, помпаж с самовосстановлением после одного низкочастотного колебания давления.
Реле задержки 6 настроено на заданное время срабатывания, равное длительности одного низкочастотного колебания давления воздуха за компрессором, характерное для данного типа двигателя (фиг.4), составляющее, например, для двигателя ТВ3-117 0,05 секунды.
В случае самоликвидации помпажа за заданное время задержки реле 6, соответствующее длительности одного низкочастотного помпажного колебания, широкополосный сигнализатор помпажа 3 снимает свой сигнал, и сумматор 5 не выдаст команду на включение средств ликвидации помпажа.
Если через 0,05 секунды помпаж не самоликвидировался, сохраняются сигналы от двух сигнализаторов помпажа: сигнал низкочастотного сигнализатора помпажа 2 сохраняется после первого помпажного провала давления благодаря самоблокировке реле времени 4 на заданное время, и сигнал широкополосного сигнализатора помпажа 3 сохраняется при наличии помпажа любого типа. Поэтому сигнал с сумматора 5 через 0,05 секунды пройдет на блок 7, и средства ликвидации помпажа будут работать до тех пор, пока длится помпаж.
В случае работы вертолета в условиях ожидаемого теплового воздействия, например при тушении пожара, или в режимах, сопровождающихся ожидаемым тепловым воздействием, например при стрельбе, целесообразно использовать предварительную подачу, впрыск воды или водно-спиртовой смеси на вход двигателя через форсунки. В первом случае начало и продолжительность подачи жидкости может быть выбрана экипажем, а во втором случае подача жидкости может выполняться автоматически по сигналу системы управления стрельбой на время, превышающее максимальную длительность помпажа (например, 2 секунды). Кроме известного эффекта кратковременного повышения запасов газодинамической устойчивости, предварительная подача жидкости через форсунки на время ожидаемого теплового воздействия позволит сократить время ликвидации помпажа.
Использование в способе противопомпажной защиты задержки управляющего сигнала на включение средств ликвидации помпажа дает возможность двигателю в большинстве случаев самостоятельно выйти из помпажа. Формирование управляющего сигнала от двух датчиков давления уменьшает вероятность случайных срабатываний, повышает надежность и безопасность противопомпажной защиты двигателя. В итоге изобретение позволяет повысить безопасность эксплуатации вертолета на небольших высотах, когда потеря мощности двигателей и потеря высоты полета особенно опасны для вертолетов.