СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
GAS TURBINE ENGINE CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к области систем управления сложными объектами техники, работающими в широком диапазоне режимов и нагрузок, и может быть использовано в системах управления авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), а также турбин электростанций.
Из уровня техники известно, что температура газа перед турбиной ГТД, например, авиационного, является одним из основных параметров, определяющих как тягово-экономические характеристики, так и ресурс двигателя. Учитывая, что современные двигатели на предельных режимах (максимальных, форсированных) работают вблизи функциональных, прочностных и температурных ограничений, возникает проблема предотвращения средствами системы управления выхода параметров работы двигателя за пределы допустимых значений. Основным показателем в данном случае является температура газа в камере сгорания ГТД. Практикой эксплуатации установлено, что увеличение температуры лопаток ГТД на 5 K приводит к уменьшению ресурса ГТД примерно на 10%, установлено, что погрешности регулирования температуры газа на установившихся режимах не должны превышать 5 K -7 K, а на переходных режимах диапазон изменения погрешности находится в пределах от минус 30 K до 50 K за время не более 0.5-1.0 сек. Скорость изменения температуры газов на переходных режимах может достигать 500 K/сек.
Поэтому одним из важных требований, предъявляемых к современным системам управления ГТД, является обеспечение высокой точности поддержания заданной температуры газа в камере сгорания за счет контроля параметров его работы, одним из которых является температура газов.
Известен способ регулирования, согласно которому в каждом из ряда каналов формируют управляющие сигналы, пропорциональные отклонению текущей величины регулирующего параметра от заданной, выделяют в качестве ведущего канал с наименьшей величиной управляющего сигнала и осуществляют коррекцию заданной величины регулируемого параметра в каждом из каналов пропорционально рассогласованию между управляющим сигналом и управляющим сигналом ведущего канала с ограничением скорости коррекции заданной величины, причем ограничение скорости коррекции снимают при снижении управляющего сигнала ведущего канала.
(см. а.с. СССР №1758260,кл. F02C 9/26, 1992 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известного способа необходимо отметить, что он в ряде случаев не позволяет осуществить эффективное регулирование параметров объекта, так как коррекция заданной величины в «дежурном» режиме осуществляется со статический ошибкой, а переход в «ведущий» режим при быстром изменении состояния объекта регулирования осуществляется с задержкой, равной постоянной времени цепи коррекции. Это приводит к дополнительной динамической ошибке в момент перехода в «ведущий» режим.
Известна система управления ГТД, содержащая первый контур регулирования, включающий датчик частоты вращения, связанный с основным регулятором частоты вращения, выход которого связан с сервоприводом топливорегулирующего клапана. Данный контур также содержит задатчик основного регулятора. Второй контур регулирования осуществляет регулирование температуры газа перед турбиной и содержит датчик температуры, связанный с первым входом регулятора, второй вход которого связан с задатчиком предельной температуры. Система также содержит второй датчик частоты вращения, выход которого связан с первым входом дополнительного регулятора частоты вращения, второй вход которого связан с выходом нелинейного звена, связанным с выходом регулятора технологического параметра. Выходы регуляторов частоты вращения связаны со входами селектора, выход селектора соединен с первым входом сумматора, второй вход которого связан с датчиком обратной связи по положению топливорегулирующего органа.
В процессе работы системы выходной сигнал регулятора, представляющий разность между выходным сигналом нелинейного звена и сигналом датчика частоты вращения, проходит через селектор (пока предельное значение температуры не достигнуто), поступает на сумматор, где суммируется с сигналом датчика обратной связи и поступает на вход задатчика, который управляет регулятором частоты вращения сервопривода. При достижении предельной температуры газа перед турбиной, на селектор подается и сигнал с регулятора температуры, который подается на селектор, как и сигнал частоты вращения, управляющий сигнал с селектора поступает на сумматор и далее - на регулятор и управление топливорегулирующего клапана.
(см. а.с. СССР №591024, кл. F02C 9/00, 1979 г.)
В результате анализа известной системы управления ГТД необходимо отметить, что она осуществляет регулирование ГТД по двум параметрам - частоте вращения ротора и температуре газа перед турбиной. Однако данная система обладает довольно большой инерционностью, что не позволяет эффективно использовать ее при работе ГТД на переходных предельных режимах. Кроме того, данная система использует при функционировании ограниченное количество параметров работы ГТД, что не позволяет осуществлять объективное управляющее воздействие.
Известна система регулирования ГТД, содержащая последовательно соединенные датчик частоты вращения ротора, первый элемент сравнения и алгебраический селектор минимума, последовательно соединенные корректирующее звено канала частоты вращения ротора и суммирующее устройство, последовательно соединенные разностное корректирующее звено и ключ, выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства, последовательно соединенные измеритель температуры газа, второй элемент сравнения, компаратор, дифференциатор и запоминающее устройство. Выход второго элемента сравнения соединен со вторым входом алгебраического селектора минимума, второй вход компаратора подключен к выходу первого элемента сравнения, а выход соединен со вторым входом ключа, выход разностного корректирующего звена соединен со вторым входом запоминающего устройства, выход которого подключен к третьему входу суммирующего устройства, а ко второму входу второго элемента сравнения подключен задатчик температуры газа. Вход электронного изодромного регулятора соединен с выходом алгебраического селектора минимума, а его выход соединен со входом корректирующего звена канала частоты вращения ротора и со входом разностного корректирующего звена. Вход статического исполнительного устройства соединен с выходом суммирующего устройства, а выход подключен ко входу ГТД.
В процессе работы ГТД в канале частоты вращения ротора сигнал с датчика частоты вращения поступает на первое сравнивающее устройство, где сравнивается с заданным значением задатчика, в результате чего формируется выходной сигнал рассогласования, пропорциональный отношению частоты вращения ротора от заданной частоты вращения. Этот сигнал поступает на первый вход алгебраического селектора минимума, выходной сигнал с которого поступает на вход изодромного регулятора, сигнал с которого подается на корректирующее устройство канала частоты вращения и на разностное корректирующее звено. Сигнал с корректирующего устройства канала частоты вращения поступает на первый вход ключа, выход которого подключен к третьему входу суммирующего устройства.
Одновременно, в канале температуры газа за турбиной ГТД сигнал с датчика температуры газа, пропорциональный среднему ее значению, поступает на вход второго сравнивающего устройства, где сравнивается с заданным значением температуры газа задатчика, в результате чего формируется сигнал рассогласования, пропорциональный отклонению температуры газа от заданного значения. Этот сигнал поступает на второй вход алгебраического селектора минимума.
Одновременно сигналы рассогласования с первого сравнивающего устройства и со второго сравнивающего устройства поступают на компаратор. Выходной сигнал с компаратора через дифференциатор, который определяет момент селектирования, поступает на первый вход устройства запоминания, второй вход которого соединен с выходом разностного корректирующего звена. Постоянный компенсирующий сигнал с выхода устройства запоминания поступает на второй вход суммирующего устройства. В результате на вход сумматора подается постоянный ступенчатый сигнал. Выход суммирующего устройства подключен к исполнительному устройству, управляющему расходом топлива ГТД.
Сумматор складывает три сигнала, формируя тем самым сигнал коррекции управляющего воздействия. Благодаря наличию в схеме включения изодромного регулятора система приобретает астатизм по отношению к возмущающим воздействиям.
(см. патент РФ №2332581, кл. F02C 9/28, 2008 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа выполнения известной системы необходимо отметить, что ее использование позволяет осуществить управление выходными параметрами по двум каналам - каналу частоты вращения ротора и каналу температуры газа. Вследствие того, что в системе не наблюдается забросов температуры в момент селектирования, переходные процессы имеют монотонный характер, что позволяет повысить ресурс ГТД. Однако учет лишь двух параметров при работе ГТД - частоты вращения ротора и температуры газов не дает полной картины его состояния при функционировании, что значительно снижает эффективность регулирования ГТД. Отсутствие контура ограничения предельных значений параметров не позволяет эффективно управлять ГТД, при его работе на предельных режимах, что, естественно, сказывается на ресурсе ГТД.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности управления ГТД за счет уменьшения ошибки при быстром изменении состояния объекта регулирования и гарантированном обеспечении поддержания режимов работы ГТД в установленных параметрах по максимуму.
Поставленная задача обеспечивается за счет того, что в системе управления газотурбинным двигателем, включающей датчики параметров двигателя, имеющие возможность связи с усилителями, связанными с сумматором, дозатор подачи топлива в камеру сгорания двигателя, два элемента сравнения, первый вход второго из которых связан с задатчиком режимов работы двигателя, а также селектор минимума и изодромный регулятор, новым является то, что в систему управления дополнительно введены адаптер, ограничитель, блоки преобразования логарифма и преобразования антилогарифма, вход которого связан с выходом сумматора, а выход - со вторым входом второго элемента сравнения, выход второго элемента сравнения связан со вторым входом селектора минимума, первый вход которого связан с выходом первого элемента сравнения, выход селектора минимума связан со вторым входом изодромного регулятора, первый вход которого связан с адаптером, а выход с дозатором, причем каждый датчик связан со своим блоком преобразования логарифма, выход каждого из которых связан во входом своего усилителя, выходы усилителей связаны со входами сумматора, при этом датчики дополнительно связаны с первым входом первого элемента сравнения, второй вход которого имеет возможность связи с блоком ограничения параметров.
При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, а следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию «новизна».
Сущность изобретения не следует явным образом из известных решений, а следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления изобретения.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на которых представлена схема системы управления.
Система управления ГТД 1 содержит дозатор 2 подачи топлива в камеру сгорания ГТД. Параметры работы ГТД отслеживаются датчиками 3. На схеме датчики условно показаны единым функциональным блоком. Как правило, в системе используются датчики: температуры и давления за вентилятором; температуры и давления за компрессором, температуры и давления за турбинами; частоты вращения роторов компрессора и вентилятора; расхода топлива в камере сгорания. Необходимо отметить, что это штатные датчики, которые используются на ГТД большинства модификаций. Естественно, что в реальной системе датчики не являются единым блоком, а разнесены по ГТД в зависимости от назначения каждого из них.
Один выход каждого датчика 3 связан со своим логарифмическим преобразователем 4. Выходы логарифмических преобразователей 4 связаны со входами усилителей 5, выходы которых связаны с сумматором 6. Каждый усилитель настроен на индивидуальную, заранее выбранную величину усиления.
Выходы датчиков также связаны с первым входом первого элемента сравнения 7, второй вход которого связан с блоком 8 ограничения предельных параметров бортовой системы управления.
Система управления снабжена вторым элементом сравнения 9, первый вход которого связан с задатчиком 10 режимов работы ГТД бортовой системы. Второй вход второго элемента сравнения через преобразователь антилогарифма 11 связан с выходом сумматора 6. Выход второго элемента сравнения 9 связан с первым входом селектора минимума 12, второй вход которого связан с выходом блока 8.
Выход селектора минимума 12 связан с первым входом изодромного регулятора 13, второй вход которого связан с адаптером 14 внешних условий, в соответствии с которыми корректируются условия работы ГТД. Выход изодромного регулятора связан с дозатором 2 подачи топлива в камеру сгорания ГТД. Контур: выходы датчиков 3 - первый элемент сравнения 7 - ограничитель 8 - селектор минимума 12, является контуром ограничения предельных значений параметров работы ГТД. Наличие данного контура не позволяет ГТД при работе выходить за пределы максимально допустимых параметров, в том числе, по температуре газов в камере сгорания.
Для реализации заявленной системы используют стандартные блоки и элементы, выполнение которых и схемы их включения известны специалистам. Система управления ГТД функционирует следующим образом.
При работе ГТД режимы его работы задаются от бортовой системы управления и поступают на задатчик 10. Управляющие сигналы с блока 10 поступают на первый вход второго элемента сравнения 9. В то же время, параметры работы ГТД фиксируются датчиками 3, с которых они поступают в преобразователи 4, где преобразуются в логарифмические величины, полученные сигналы усиливаются в блоках 5 пропорционально соответствующему показателю степени этого параметра и передаются в сумматор 6. Полученное в сумматоре 6 текущее (фактическое) значение сигнала потенцируется (осуществляется вычисление функции, обратной логарифмированию) блоком 11 и поступает на второй вход второго элемента сравнения 9, где определяется рассогласование между фактическими и заданными значениями работы ГТД. Сформированные управляющие (командные) сигналы подаются на первый вход селектора минимума 12.
Параллельно, в процессе работы ГТД сигналы с датчиков 3 одновременно с подачей их на преобразователи 4 подаются и на первый вход первого элемента сравнения 7, на второй вход которого подаются сигналы с блока 8 ограничения параметров. Результирующий сигнал с первого элемента сравнения 7 подается на второй вход селектора минимума 12. Селектированный управляющий сигнал с селектора минимума 12 подается на первый вход изодромного регулятора 13, на второй вход которого подаются сигналы с адаптера 14. Полученные управляющие сигналы подаются на исполнительный механизм дозатора 2, регулируя подачу топлива в камеру сгорания ГТД, которая осуществляется с учетом заданной температуры газов.
Адаптер в системе предназначен для изменения параметров изодромного регулятора в зависимости от внешних условий.
Изодромный регулятор предназначен для формирования управляющего сигнала для исполнительного механизма дозатора с заданными динамическими свойствами.
Размещение его изодромного регулятора между селектором минимума и дозатором обеспечивает необходимое качество сигналов регулирования.
Преобразователи логарифма позволяют представлять параметры значений, учитывающих температуру газа как линейную функцию суммы логарифмов, что удобно для бортового процессора.
Преобразователь антилогарифма позволяет получить физическое значение параметров, в том числе фактической температуры газа.